У США надрукували на 3D-принтері двотонну сталеву форму для Boeing: похибка склала лише кілька міліметрів
Американські дослідники за вісім тижнів виготовили на 3D-принтері сталеву пресформу заввишки два метри та вагою майже дві тонни. Попри величезні розміри конструкції, її відхилення від запланованої форми становило лише кілька міліметрів, а сам інструмент призначений для виробництва деталей літаків.
Про це пише Ок-Риджська національна лабораторія (ORNL) Міністерства енергетики США.
Розробку створили спільно з компанією Boeing у межах дослідницького проєкту NASA Hi-Rate Composite Aircraft Manufacturing (HiCAM). Його мета — удосконалити та прискорити виробництво композитних компонентів для авіаційної промисловості.
На відміну від звичайного 3D-друку невеликих деталей, цього разу інженери виготовляли масивний промисловий інструмент. Сталева конструкція має приблизно два метри заввишки, 1,2 метра завширшки та важить майже дві тонни.
Йдеться про пресформу типу Stamp Form Die (SFD), яку використовують для надання матеріалам необхідної форми під тиском. У літакобудуванні такі інструменти потрібні, зокрема, для виготовлення деталей із термопластичних композитів.
Наприклад, під час виробництва окремих авіаційних компонентів нагрітий композитний матеріал розміщують між двома формами, які під тиском надають йому потрібних обрисів. За допомогою такої технології можна виготовляти й елементи літакових дверей.
Зазвичай великі металеві пресформи створюють традиційними методами металообробки. Для цього використовують лиття, кування, механічне оброблення та свердління, що потребує відповідного обладнання й кількох виробничих етапів.
Дослідники ORNL разом із Boeing вирішили перевірити, чи можна замінити частину цих операцій роботизованим 3D-друком металу. Вони також прагнули з’ясувати, наскільки така технологія придатна для виготовлення великогабаритних інструментів із вбудованою системою регулювання температури.
Для створення пресформи використали розроблену в лабораторії систему Arc-1. Вона наносить метал шар за шаром і може працювати одночасно з кількома металевими дротами, поєднуючи різні матеріали в одній конструкції.
Завдяки цьому інженери отримали можливість використовувати різні види сталі залежно від навантаження на конкретну частину інструмента. Такий підхід дозволяє не виготовляти всю пресформу з одного матеріалу, якщо окремі ділянки потребують різних властивостей.
У конструкції для Boeing м’яку сталь застосували в зонах, де особливо важливі міцність і жорсткість. Робочу поверхню вкрили нержавіючою сталлю, щоб підвищити її стійкість до корозії, зберегти стабільність розмірів і забезпечити довговічність під час експлуатації.
Ще однією особливістю стала система нагрівання та охолодження пресформи. У традиційних інструментах для циркуляції теплоносія зазвичай просвердлюють довгі прямі канали.
3D-друк дозволив створити всередині металевої конструкції вигнуті канали, які точніше повторюють її геометрію. За задумом розробників, така система може ефективніше розподіляти тепло та поліпшувати температурний контроль під час формування композитних деталей.
Однак виготовлення двотонної конструкції поставило перед дослідниками серйозну технічну проблему. Коли нанесені шари металу охолоджуються, усередині матеріалу виникають залишкові напруження, здатні спричинити деформацію виробу.
Для великої пресформи навіть незначне викривлення має значення, оскільки її робоча поверхня повинна відповідати заданій геометрії. Щоб запобігти деформації, інженери передбачили на задній частині конструкції тимчасові опорні ребра.
Перед виготовленням пресформи команда провела 32 ітерації комп’ютерного моделювання. Дослідники перевіряли, як поводитиметься метал під час нанесення та охолодження, щоб визначити оптимальну конструкцію і зменшити ризик викривлення.
Результат виявився достатньо точним для подальшого оброблення: після завершення друку відхилення геометрії від запланованої становило лише кілька міліметрів.
На цьому виробничий процес не завершився. Готову металеву конструкцію відправили до компанії Baker Industries у штаті Мічиган, де вона пройшла відпал — термічне оброблення для зменшення внутрішніх напружень, що виникли під час друку.
Після цього тимчасові опорні ребра видалили. Фахівці Baker Industries також виконали решту виробничих операцій, необхідних для приведення інструмента у відповідність до вимог Boeing.
У межах проєкту HiCAM дослідники вивчають можливість використання адитивного виробництва для створення великих металевих пресформ із меншими витратами та більшою гнучкістю виробництва. Поєднання роботизованого нанесення металу, кількох видів сталі та комп’ютерного моделювання розглядають як один зі способів виготовлення промислових інструментів для авіаційних компонентів наступного покоління.
Источник: expert.in.ua