Digital learning

Luft- og rumfartsindustrien var en af de første kommercielle brugere af 3D-print, eller Additive Manufacturing, da det blev opfundet. Mange OEM’er, leverandører og offentlige instanser har brugt 3D-print i årtier. De seneste generationer af kommercielle fly flyver med mere end 1.000 3D-printede dele.

Men konventionelle industrielle 3D-printere er uoverkommelige for de fleste organisationer, undtagen de største og bedst finansierede. I løbet af de sidste 10 år er prisen på selv de mest kraftfulde 3D-printere faldet dramatisk. Innovationer inden for materialevidenskab har muliggjort mange applikationer med højere ydeevne. Forudsat at de er tilgængelige i pris, kan 3D-printere nu bruges af mindre organisationer og i nye afdelinger af store organisationer, hvor de tidligere var placeret i centraliserede prototypebutikker. Ved at bringe additiv teknologi ud til flere slutbrugere gør Formlabs 3D-printere det muligt for flere luftfartsingeniører og forskere at skubbe til grænserne for deres felt.

Læs hurtigt videre for at opdage ni vigtige måder, hvorpå 3D-print driver innovation i luftfartsindustrien. Fra design til fremstilling og meget mere.

3D-print til produktudvikling inden for luft- og rumfart

1. 3D-printede hurtige prototyper til funktionelle raketforsøg

Gravity Industries udvikler jetdragter, der ser ud, som om de hører hjemme i en sci-fi-film. Deres jetdragter er beregnet til brug i tilfælde som eftersøgning og redning, hvor en helikopter ikke kan nå frem eller lande sikkert. Brugen af flere typer 3D-printteknologier har fremskyndet deres prototype- og testproces. I nogle tests var termohærdende fotopolymerharpiks det bedste tilgængelige valg.

Testpilot og chefdesigner Sam Rogers brugte dele fremstillet i Clear Resin på Form 3 til at udvikle designet til en hvirvelkølet raketmotortænder. Det gennemsigtige materiale var ideelt til testmiljøet. Det gjorde det muligt for Rogers at observere forbrændingsmønstrene på indersiden af testriggen.

Under designtestene designede Rogers kammeret modulært, så de kunne kombinere forskellige versioner af både kammeret og dysen. Med et “skjold af hvirvlende ilt”, der holdt den største varme væk fra kammerets vægge, kunne harpiksdelene hver især holde et par sekunder. Det var længe nok, da hver testaffyring kun skulle vare længe nok til at observere affyringsmønsteret.

Hvis Rogers havde fået sine dusinvis af forskellige designs lavet i metal, ville det have været utroligt dyrt. Da testene var korte, og delene havde meget lave materialeomkostninger, endte han i stedet med et højtydende design med minimale udgifter og leveringstid.

2. Fremstilling af komplekse raketdele med 3D-print

Masten Space Systems har specialiseret sig i raketter til lodret start og landing. Masten begyndte at 3D-printe raketmotorer i 2014. De startede med små testraketter og skalerede til sidst op til en 25.000-punds broadsword-motor i 2016. Deres additive erfaring involverer både plast og metaller. Ifølge Kimberly Devore, forsknings- og testingeniør hos Masten, har virksomheden brugt både traditionel bearbejdning og 3D-printning til at producere raketmotorer. Selvom Masten stadig bruger konventionel fremstilling til deres ældre motorer, har de taget 3D-print til sig på grund af designfleksibiliteten og produktionshastigheden.

“Det smukke ved 3D-print er, at du kan modellere det præcis, som du vil have det. Og man behøver ikke at pille så meget ved det som ved traditionel bearbejdning. Man kan bare designe det, som man har brug for det,” siger Devore. “Med traditionel redigering er man ofte nødt til at gøre tingene ret enkle. Hver ekstra funktion, du tilføjer, er noget ekstra, du skal betale for.”

Men med 3D-print koster det ikke ekstra at tilføje kompleksitet for at forbedre ydeevnen. Det koster heller ikke noget at tage risici. Fordi det er relativt hurtigt og billigt at lave flere kopier, kan de afprøve nye ting. “Muligheden for at gentage den slags ting hurtigt er fantastisk.”

Masten Space Systems producerer komplekse raketkomponenter ved hjælp af 3D-print.

3. Prototyping af værktøj til rumfart med 3D-printning

CNC-maskiner kræver færdigheder og tid at programmere. Hvis en del ikke behøver at være lavet af metal, kan 3D-print være et praktisk værktøj til at skabe prototyper eller produktionsværktøjer meget hurtigere og billigere.

A&M Tool and Design fremstiller kundetilpassede dele og maskiner til rumfart, optik og robotteknologi. Virksomheden har moderniseret i årenes løb og introduceret en række nye maskiner, herunder 3D-print, sammen med pålidelig traditionel teknologi og retrofit-løsninger. Ryan Little, maskiningeniør hos A&M Tool, undersøgte, hvilken 3D-printer der ville passe bedst til deres behov, og valgte Formlabs 3D-printere.

Til prototyper begyndte virksomheden at bruge 3D-print til at teste pasform og funktion. 3D-print giver Little og teamet mulighed for at fremstille dele meget hurtigere. De kan også bruge alle døgnets timer: De kan lave printene natten over og bruge delene næste dag. Print er især nyttigt til geometrier, der er dyre og tidskrævende at fremstille på en CNC-maskine.

“Printeren føles næsten som et værktøj ved siden af CAD,” siger Little. “Vi laver mange prototyper til forskellige slags værktøjer. Hvis vi ikke havde Form 2, ville mange af prototyperne bare blive i CAD, indtil vi var klar til at bearbejde dem. Nogle ting ville så aldrig blive lavet eller designet, fordi de ikke ville være praktiske.”

3D-print til luft- og rumfart

4. Spar penge med 3D-printet specialværktøj til flydele

Lufthansa Technik er en af verdens førende luftfartsleverandører og udbydere af vedligeholdelse, reparation og eftersyn (MRO). Deres proprietære Guide U-flyvebanemarkeringer er designet til eftermontering i flykabiner. Disse innovative gulvmarkeringer er fotoluminescerende. Det betyder, at de er udstyret med selvlysende farvepigmenter, der oplades af normalt kabinelys. De fortsætter med at lyse i mørket i tilfælde af en nødsituation uden elektricitet.

Lufthansa Technik printede ekstruderingsdysen til at producere disse selvlysende flugtvejsmarkeringer.

Forskellige værktøjsmaterialer og fremstillingsprocesser blev testet før produktionen. 3D-printning af tilpassede ekstruderingsdyser viste sig at være den mest omkostningseffektive og fleksible fremstillingsmetode. “Teoretisk set kunne vi også sprøjtestøbe vores dele. Men så ville vi aldrig have været lige så fleksible med hensyn til form og tilpasning af dysen. Det er her, jeg ser den store fordel ved 3D-print,” forklarer Ulrich Zarth, projektingeniør hos Guide U.

Dette produktionsværktøj blev printet på Form 3L. Det store overfladeareal på byggeplatformen i Form 3L gjorde det muligt at producere 72 dyser i en enkelt printkørsel. Flere Formlabs-materialer blev testet, og Clear Resin blev valgt. Det giver ikke kun den rette stabilitet og overfladekvalitet, men hjælper også Lufthansa Technik med løbende at optimere deres produktionsproces.

“Hvis du vil have præcise geometrier, især i plastsektoren, og du vil have dem hurtigt, ville jeg altid bruge 3D-print,” siger Ulrich Zarth, projektingeniør, Lufthansa Technik AG.

Zarth og hans team sparede en enorm mængde tid og penge i deres produktionsproces ved selv at 3D-printe denne lille del. Sammenlignet med konventionelle metoder til fremstilling af denne type værktøj var de også i stand til at undgå høje minimumsordremængder. Desuden forblev de betydeligt mere fleksible i deres procesoptimering.

5. Tidsbesparelse i rumfartsproduktion med 3D-printede emneholdere

AMRC’s Integrated Manufacturing Group arbejder sammen med industrielle partnere om at samle avancerede teknologier og udvikle integrerede systemer. Forskningsgruppen arbejdede på et projekt for Airbus, Europas største rumfartsproducent, der involverede boring og bearbejdning af kulfiber-, aluminium- og titaniumdele med høj tolerance. “Når vi havde boret et hul og var gået videre til det næste, var vi nødt til at dække det første hul til, så eventuelt skrot ikke ville forurene det andet hul,” siger George Sleath, projektingeniør hos AMRC.

Teamet forsøgte først at bruge et aluminiumsstykke med en lille O-ring af gummi, men det løste ikke problemet tilstrækkeligt. Og der var yderligere to problemer: Der var brug for hætter i mange størrelser, og de havde kun 10 dage til at finde i alt 500 hætter for at overholde deres deadline.

Med en så kort leveringstid for kundetilpassede produkter ville næsten alle andre produktionsmuligheder end 3D-print være umulige. Da han var usikker på AMRC’s interne kapacitet, indhentede Sleath tilbud fra tre eksterne printfirmaer, men de var dyre.

“Jeg talte så med Mark Cocking fra vores Design and Prototyping Group og spurgte, om vi kunne få noget produceret internt. Jeg hørte først fra ham efter 24 timer, men da sagde han: “Ja, vi har allerede printet halvdelen af dem”. 250 af disse hætter blev lavet på 24 timer, en fantastisk ekspeditionstid,” siger Sleath.

I sidste ende lykkedes det Cocking at producere alle delene inden for to dage. Hætterne fungerede i marken præcis efter hensigten. “Den feedback, jeg fik fra de operatører, der installerede dem, var fantastisk. Langt de fleste dele fungerede præcis efter hensigten, og ikke en eneste del gik i stykker under brug,” siger Sleath.

6. 3D-printede dele til slutbrug i luft- og rumfart med elektroplettering

Elliptika er specialiseret i design og udvikling af radiofrekvens- (RF) og mikrobølgeprodukter og -løsninger. Virksomheden designer kundetilpassede filtre og antenner, der bruges til forskning og udvikling inden for bilindustrien, forsvaret, medicin og uddannelse. Radiofrekvensdesignerne Gwendal Cochet og Alexandre Manchec er nødt til at realisere komplekse geometrier, holde omkostningerne nede og levere design hurtigt. For at opnå disse krævende parametre har de lært at se ud over de traditionelle fremstillingsteknikker.

3D-printning af dele til slutbrug gør det muligt for Elliptika at skabe nye antennedesigns hurtigere og spare penge i processen.

Elliptikas team arbejdede med forskellige Additive Manufacturing-processer. Stereolithography (SLA) 3D-printning viste sig at være det bedste match til galvanisering på grund af de printede deles glatte overflader. “Når vi har 3D-printet delen, skal vi fjerne understøtningen, rense overfladen og hærde den. Derefter gennemgår den printede del en kemisk proces for at placere et tyndt lag (ca. 3 µm) af kobber. Til sidst kan delen få en overfladebehandling, f.eks. et tykkere lag tin.”

Elliptika opnåede en positiv ROI på deres Formlabs 3D-printer med blot to ordrer. At få en del fremstillet af en ekstern leverandør koster omkring 3.000 euro. Materiale- og arbejdsomkostningerne ved at printe og galvanisere en antenne internt er kun 20 euro.

Deres arbejdstempo blev også hurtigere. Med konventionelle produktionsteknikker kunne det tage op til tre måneder at fremstille en antenne. “Med in-house 3D-printning har vi brugbare dele på to dage. En dag til printning, en dag til galvanisering, og så virker det. Så det er meget, meget kortere,” siger Cochet.

3D-print i forskning og uddannelse inden for rumfart

7. Test af 3D-printede dele i rummet

Galvaniseret Rigid 10K Resin gitterkompressionsprøve før test (venstre) og prøver efter test (højre) belastet ovenfra.

Galvaniserede Rigid 10K Resin 3D-printede dele sendt til ISS.

NASA-forskere undersøger, hvordan galvaniserede SLA-dele klarer sig i rummet. Ingeniører ved NASA’s Goddard Space Flight Center designede beslag, som blev printet på Formlabs printere. De blev derefter galvaniseret og sendt til Den Internationale Rumstation (ISS) ombord på SpaceX’s kommercielle genforsyningsmission (CRS-25) i sommeren 2022.

Ved hjælp af Alpha Space’s testplatform Materials International Space Station Experiment (MISSE-16) vil prøverne blive udsat for rumstationens ydre miljø. De vil senere vende tilbage til Jorden for at blive testet yderligere. Resultaterne kan indikere, hvordan NASA og muligvis andre rumproducenter kan integrere galvanisering og additiv fremstilling i mulige fremtidige produktplaner.

8. 3D-printede testdele til vindtunnel

3D-printede dele af høj kvalitet kan monteres på skalamodeller af fly i en vindtunnel.

Fakulteter og studerende verden over bruger Formlabs 3D-printere i vindtunneltests til at underbygge deres forskning.

Texas A&M Oran W. Nicks Low Speed Wind Tunnel udfører vindtunneltest til en lang række projekter. Lisa Brown, leder og ingeniør ved Texas A&M Wind Tunnel, hjælper forskere med at udvikle deres testplaner, designe modellerne og skabe den kode, der gør det muligt for dem at indsamle relevante data. Hendes team bruger 3D-print til at skabe skalamodeller til at teste forskellige objekter.

Brown husker et projekt, hvor holdet undersøgte et blafrende helikopterblad og integrerede 3D-print i testen. “Hvis vi kører hurtigt nok, og vingerne blafrer, får man chokbølger fra vingenes forkant. Og det ønsker man ikke på helikoptere. Så vi kunne faktisk se disse chokbølger i vores lavhastighedstunnel, hvilket var meget spændende,” siger Brown. “Vi havde en lille printet indsats på den forreste kant med nogle sensorer. Så hele modellen var en aluminiumsvinge med denne lille indsats, som vi kunne udskifte.”

På den anden side af Atlanten tester vindtunnelen på Karlsruhe Institute of Technology (KIT) også 3D-printede dele. Ph.d.-studerende Lars von Deyn studerer metoder til at forudsige turbulente strømninger. Hans arbejde kan føre til materiale- og designvalg for at reducere friktion i mobilitet.

Von Deyn valgte 3D-print til at fremstille sine testdele. “Jeg vil gerne undersøge strukturer, som er meget vanskelige at fremstille ved hjælp af maskinelle processer,” siger han. Han valgte Form 3L, fordi det store byggeområde betød, at han kunne dække vindtunnelens testområde med færre enkeltdele og dermed færre afbrydelser i mønsteret.

9. Uddannelse af den næste generation af ingeniører med 3D-printning

Midshipman 1/C Ben Leaman, major i Naval Architecture ved USNA, viser sine prisvindende print med Formlabs Form 3-printere under en AM Olympics-udfordring i 2021.

United States Naval Academy uddanner unge mænd og kvinder til at blive professionelle officerer i den amerikanske flåde og marinekorps. Kaptajn Brad Baker, lektor ved USNA, indså, at hans ingeniørstuderendes iterative proces, og dermed indlæringstempo, blev hæmmet af manglende adgang til produktionsfaciliteter. Selv med et maskinværksted til de studerendes afsluttende projekter, kunne hver enkelt eller hvert hold ikke gennemføre mere end tre eller fire iterationer om året.

Kaptajn Baker var ikke den første professor på campus, der tilbød de studerende 3D-printere til deres kurser. Men han samlede design- og produktionsmulighederne på ét centralt sted, da han startede MakerSpaceUSNA. Med blot et par FDM-printere (Fused Deposition Modeling) begyndte han at integrere maskinerne i pensum for maskinteknik. Han stillede maskinerne til rådighed for studerende, der færdiggjorde deres afgangsprojekter.

Når de studerende starter på ingeniørstudiet, lærer de først, hvordan man bruger CAD-software. Derefter lærer de at betjene FDM-printere, derefter stereolitografi (SLA) og til sidst Selective Laser Sintering (SLS 3D-printere. Nu lærer de endda 3D-scanning og kan lave komplette reverse engineering-projekter med alle de værktøjer, de har lært.

Takket være pålidelige printere af høj kvalitet med FDM-, SLA- og SLS-teknologier kan MakerSpaceUSNA tilbyde alle USNA-studerende erfaring med en bred vifte af additive fremstillingsteknologier. Kaptajn Bakers filosofi om praktisk uddannelse og en “learning by failure”-tilgang tager denne oplevelse et skridt videre for ingeniørstuderende og forbereder dem på karrierer i den amerikanske flåde og andre steder.

Hvad bliver det næste for Additive Manufacturing i luft- og rumfart?

Med mere kraftfulde og tilgængelige additive teknologier end nogensinde er industrien klar til bidrag fra et større antal parter. Det er svært at sige, om de største gennembrud i de næste 5-10 år vil komme fra OEM’er, leverandører, offentlige instanser, startups eller den akademiske verden. Men med flere mennesker end nogensinde, der bruger 3D-print, vil disse innovationer komme hurtigere end nogensinde før.

I takt med at forståelsen for 3D-printning breder sig i luftfartsindustrien, og teknologien og de tilgængelige materialer bliver mere alsidige, vil additiv teknologi fortsætte med at ændre den måde, vi bygger og vedligeholder fly og rumfartøjer på.

Er du nysgerrig efter at vide, hvordan Additive Manufacturing kan berige din applikation? Kontakt vores 3D-print-eksperter.