Аддитивное производство керамики в аэрокосмической отрасли

По данным консультационной фирмы по производственным технологиям SmarTech, аэрокосмическая промышленность является вторым по величине отраслевым сектором США, по объему применения аддитивного производства (AП), после медицины . Тем не менее, у многих специалистов по-прежнему отсутствует осведомленность о потенциале АП с керамическими материалами для быстрого изготовления аэрокосмических компонентов с повышенной гибкостью и экономической эффективностью. Aддитивное производство предлагает более быстрое и экологически безопасное производство прочных и легких керамических деталей, снижение затрат на рабочую силу, минимизацию ручной сборки и снижение веса самолета за счет использования деталей из керамики, которые повышают эффективность и производительность. Кроме того, керамическая технология AП позволяет контролировать размеры готовых деталей с точностью менее 100 мкм.

Однако слово керамика может вызвать неправильное представление о хрупкости. На самом деле AП для керамики создает более легкие, детализированные компоненты, обладающие огромной структурной прочностью, ударной вязкостью и устойчивостью к широкому диапазону температур. Перспективные фирмы обращаются к керамике для изготовления компонентов, включая сопла и подруливающие устройства, изоляторы и лопатки турбин.

Используемые материалы

Оксиды алюминия высокой чистоты обладают высокой твердостью, а также высокой устойчивостью к коррозии и температурным диапазонам. Компоненты, изготовленные из оксида алюминия, также являются электрически изолирующими при высоких температурах, которые часто встречаются в аэрокосмических системах.

Керамика на основе диоксида циркония удовлетворяет требованиям многих областей применения с экстремальными требованиями к материалам в сочетании с высокими механическими нагрузками, например, для обработки высококачественного металла, клапанов и подшипников.

Керамика из нитрида кремния демонстрирует высокую прочность, высокую ударную вязкость и отличную стойкость к тепловому удару, а также хорошую химическую стойкость к коррозии под действием многих кислот, щелочей и расплавленных металлов. Нитрид кремния используется в изоляторах, крыльчатках и высокотемпературных антеннах с низкой диэлектрической проницаемостью.

Композиционная керамика обеспечивает несколько желаемых качеств. Керамика на основе диоксида кремния с добавками оксида алюминия и циркония отлично зарекомендовала себя для изготовления монокристаллических отливок лопаток турбин. Это связано с тем, что керамические сердечники из этого материала имеют очень низкое тепловое расширение до 1500 ° C, высокую пористость, исключительное качество поверхности и хорошую выщелачиваемость. Использование аддитивной керамики позволяет изготавливать конструкции турбин, которые могут выдерживать более высокие рабочие температуры и повышать эффективность двигателя.

Преимущества керамики изготовленной методами аддитивного производства

Литье под давлением или механическая обработка керамики, как известно, сложны, а механическая обработка обеспечивает ограниченный доступ к производимому компоненту. Такие детали, как тонкие стенки, также трудно обрабатывать.

Однако технология производства керамики (LCM) на основе литографии, используемая в Lithoz, позволяет изготавливать точные трехмерные керамические компоненты сложной формы.

Разработав с использванием САПР модель, подробные спецификации в цифровом виде передаются на 3D-принтер. Затем на ванну наносится точно приготовленный керамический порошок. Платформа погружается в суспензию, а затем выборочно подвергается воздействию видимого света снизу. Изображение слоя формируется с помощью цифрового микрозеркального устройства (DMD), соединенного с проекционной системой. Повторяя этот процесс, можно создавать трехмерную зеленую деталь слой за слоем. После термической постобработки связующее удаляется, а сырые детали спекаются - с помощью специального процесса нагрева - в результате получаются полностью плотные керамические компоненты с выдающимися механическими свойствами и качеством поверхности.

Технология LCM обеспечивает инновационный, экономичный и более быстрый процесс литья по выплавляемым моделям компонентов газотурбинного двигателя, минуя дорогостоящее и трудоемкое изготовление форм, необходимых для литья под давлением и литья по выплавляемым моделям.

Используя методы LCM также может изготовить детали, которые невозможно сделать другим способом, при этом при этом используется гораздо меньше сырья, чем при использовании других методов.

Преодоление разрыва

Несмотря на огромный потенциал керамических материалов и технологии LCM, существует разрыв между производителями оригинального оборудования AM (OEM) и разработчиками авиакосмической отрасли.

Одной из причин может быть сопротивление новым методам производства в секторе с особенно строгими требованиями к безопасности и качеству. Аэрокосмическое производство требует множества процессов валидации и аттестации с тщательным и тщательным тестированием.

Еще одним препятствием является представление о том, что 3D-печать в первую очередь подходит только для одноразового быстрого прототипирования, а не для всего, что может использоваться в воздухе. Опять же, это заблуждение, поскольку керамические компоненты, напечатанные на 3D-принтере, уже доказали свою надежность для серийного производства.

Одним из примеров является производство турбинных лопаток, где керамические процессы AM производят сердечники для монокристаллов (SX), а также турбинные лопатки из сплавов с направленной твердостью (DS) и равноосным литьем (EX). Сердечники со сложной структурой разветвления, множественными стенками и задними кромками размером менее 200 мкм можно изготавливать быстро и экономично, при этом конечные компоненты имеют постоянную точность размеров и отличную чистоту поверхности.

Более тесное общение может объединить авиакосмических дизайнеров и производителей оборудования AM, повысив доверие к керамическим компонентам, изготовленным с использованием таких технологий, как LCM. Существуют технологии и опыт. Для этого необходимо изменить образ мышления от AM для НИОКР и прототипирования, чтобы вместо этого рассматривать его как путь вперед для крупномасштабных коммерческих приложений.

Помимо образования, аэрокосмические компании могут вкладывать время в людей, разработку и тестирование. Производители должны ознакомиться с различными стандартами и методами оценки керамики в отличие от металлов.

Где мы будем через 10 лет?

Основываясь на постоянном развитии материалов и технологий, мы можем с некоторой уверенностью сказать, что для дизайнеров будет доступно гораздо больше данных. Новые керамические материалы будут разработаны и адаптированы к конкретным инженерным требованиям. Детали, изготовленные из керамики методами АП, получат допуски для использования в аэрокосмической отрасли. Будут доступны более совершенные инструменты проектирования, такие как улучшенное программное обеспечение для моделирования.

Сотрудничая с экспертами по технологиям LCM, аэрокосмические компании могут внедрить процессы производства керамики AM внутри компании, сократив сроки, сократив затраты и открыв возможности для развития собственной интеллектуальной собственности своей компании. Обладая видением и долгосрочным планированием, аэрокосмические компании, инвестирующие в керамические технологии, могут получить значительные выгоды от всего своего производственного портфеля в течение следующего десятилетия и далее.

Создавая совместные партнерские отношения с производителями керамики AM, производители комплектного оборудования для аэрокосмической отрасли будут производить компоненты, о которых раньше не догадывались.