Ilmailu- ja avaruusala kehittyy nopeasti teknologian nopealla kehityksellämme, ja valmistuksen tarkkuus- ja suorituskykykriteerit kasvavat jatkuvasti. Kun lentokoneiden osien monimutkaiset rakenteet ja korkeat tarkkuusvaatimukset kohtaavat, perinteisten tuotantotekniikoiden on joskus vaikea saavuttaa optimaalisia tuloksia. Metallin 3D-tulostusteknologian käyttöönotto on muuttanut perusteellisesti lentokoneiden valmistusta, mikä on parantanut huomattavasti valmistustarkkuutta ja vauhdittanut luovan teollisuuden kehitystä.
Metallin 3D-tulostus, jota joskus kutsutaan metallin lisäainevalmistukseksi, on tekniikka, jossa kolmiulotteisia asioita luodaan pinoamalla kerros kerrokselta metallijauheita tai lankoja. Se sulattaa metallijauhetta ennalta suunnitellun mallin ääriviivan alla käyttämällä energialähteitä, kuten lasereita tai elektronisäteitä, luoden siten kiinteän metallikerroksen. Sitten tuotantoalusta putoaa yhden kerroksen, levittää tuoretta metallijauhetta ja toistaa edellä mainittua menettelyä, kunnes koko asia on rakennettu. Tämä "alusta" -lisäainevalmistustekniikka lisää huomattavasti valmistustarkkuutta, mahdollistaa vaikeiden rakenneosien suoran valmistuksen ja vapauttaa täysin tavanomaisten muottien rajoituksista.
Metallin 3D-tulostustekniikka ilmaantuu aluksi lentokoneteollisuudessa moottorikomponenttien valmistuksessa. Lentokoneen moottoreiden suorituskyky vaikuttaa suoraan lentokoneen yleiseen suorituskykyyn, koska ne ovat sen peruskomponentti. Perinteinen moottorinvalmistustekniikka, joka ei ole vain aikaa vievä ja työvoimavaltainen, vaan myös haastava taata tuotantotarkkuuden, vaatii paljon tarkkoja työstö- ja kokoonpanooperaatioita. Metallin 3D-tulostustekniikka on lyhentänyt näitä työvoimavaltaisia prosesseja huomattavasti. Metallin 3D-tulostusteknologialla voidaan suoraan tuottaa monimutkaisia rakenteellisia moottorikomponentteja, kuten polttoainesuuttimia, matalapaineturbiinien siipiä jne. tarkasti sulattamalla ja pinoamalla metallijauheita kerros kerrokselta. Näiden osien on kestettävä melko korkeita lämpötiloja ja paineita sen lisäksi, että ne ovat suunnittelultaan vaikeita. Ihanteellisen suunnittelun ja materiaalivalinnan ansiosta metallien 3D-tulostustekniikka on paitsi tehokkaasti saavuttanut näiden komponenttien tarkan tuotannon, myös parantanut huomattavasti niiden lujuutta ja kestävyyttä. Esimerkiksi, vaikka TiAl-seoksesta koostuvat matalapaineturbiinin siivet säilyttävät suuren lujuus- ja painosuhteen, ne ovat noin 50 % kevyempiä kuin perinteiset nikkelipohjaiset korkean lämpötilan metalliseokset, mikä vähentää koko matalapaineturbiinin painoa.
Moottorin osien lisäksi toinen tärkeä metallin 3D-tulostusteknologian käyttö ilmailualalla on kevyt muotoilu. Lentokoneen suorituskyvyn parantaminen riippuu lähinnä painosta, joten metallin 3D-tulostusteknologialla saavutetaan kevyt muotoilu rakennesuunnittelun ja komponenttien materiaalivalinnoilla. Esimerkiksi GE9X-moottorissa 3D-tulostustekniikka auttoi optimoimaan alkuperäiset lämmönvaihtimen 163 komponenttia yhdeksi integroiduksi komponentiksi, mikä alensi painoa 40 %, valmistuskustannuksia 25 % ja pidensi käyttöikää. Lentokoneen kokonaispainon alentamisen lisäksi tämä kevyt arkkitehtuuri lisää polttoainetaloutta ja vähentää hiilidioksidipäästöjä.
Metallin 3D-tulostustekniikan suuri räätälöintiaste ja tehokkuus ilmailu- ja avaruustekniikassa tuo vielä yhden tärkeän edun. Vaikka metallin 3D-tulostus voi tulostaa tarvittavan lomakkeen suoraan CAD-malleihin perustuen ilman jatkokäsittelyä, perinteiset valmistustekniikat vaativat suuren määrän muotteja ja kiinnikkeitä komponenttien valmistukseen. Personointi on helppoa tällä "yksi-yhteen" valmistustekniikalla. Massatuotanto ja yksittäiset osat voidaan viimeistellä nopeasti samoilla kustannuksilla. Lisäksi metallin 3D-tulostus vähentää merkittävästi komponenttien tuotantosykliä. Vaikka metallin 3D-tulostus saattaa valmistua tunneissa tai jopa minuuteissa, monimutkaisen komponentin valmistaminen perinteisillä tekniikoilla voi kestää viikkoja tai jopa kuukausia. Tuotannon tehokkuuden lisäämisen lisäksi tämä tehokas valmistustekniikka nopeuttaa uusien tuotteiden käyttöönottoa, mikä säästää merkittävästi yritysten aikaa.
Metallin 3D-tulostusteknologian tarkkuuden parantaminen lentokoneiden tuotannossa näkyy myös monimutkaisten rakennekomponenttien valmistuksessa. Tietyillä lentokoneiden komponenteilla on varsin korkeat monimutkaisuus- ja tarkkuusvaatimukset, joiden saavuttaminen tavanomaisilla valmistustekniikoilla on joskus haastavaa. Näiden monimutkaisten rakenneosien suora luominen ja taattu korkean tarkkuuden valmistus ovat tulosta metallin 3D-tulostustekniikoista. Esimerkiksi rakettimoottoreiden tuotantoa varten metallin 3D-tulostustekniikka voi tuottaa komponentteja, joissa on monimutkaiset jäähdytyskanavat, joita on haastavaa saada perinteisillä valmistustekniikoilla. Metallin 3D-tulostusteknologian avulla jokaisen metallijauhekerroksen sulamista ja kertymistä voidaan säädellä tarkasti, mikä mahdollistaa monimutkaisten rakenteiden tarkan valmistamisen.
Siitä huolimatta metallin 3D-tulostustekniikan käyttö ilmailuteollisuudessa aiheuttaa myös tiettyjä vaikeuksia. Esimerkiksi metallisten 3D-tulostuslaitteiden kustannukset ja investoinnit ovat melko korkeat; lisätutkimusta ja -ratkaisuja tarvitaan ongelmien, kuten lämpöjännityksen ja jäännösjännityksen käsittelemiseksi metallin 3D-tulostusprosessissa; metallijauheiden valmistus ja varastointi edellyttävät tiukkaa olosuhteiden valvontaa. Silti metallin 3D-tulostusteknologialla on erityisetuineen ja -mahdollisuuksineen yhä enemmän merkitystä ilmailun valmistuksessa.
https://www.china-3dprinting.com/metal-3d-printing/metal-3d-printing-piston-in-the-engine.html