Промышленное производство для аэрокосмической и оборонной отраслей с помощью SLA и SLS 3D-печати

«Чтобы сохранить лидирующие позиции на рынке, American Additive отдаёт приоритет высокопроизводительным технологиям. Formlabs фундаментально расширила наши возможности, позволив нам получить значительный бизнес, который традиционная FDM-технология не может поддержать. Для таких применений с большим объёмом традиционная FDM была бы экономически невыгодной».

Мэтью Уайт, директор по инжинирингу, American Additive

American Additive — лидер промышленного производства, использующий передовые технологии аддитивного производства для выпуска высокопроизводительного оборудования для аэрокосмической и оборонной отраслей. Благодаря использованию стереолитографических (SLA) и селективных лазерных спекающих (SLS) 3D-принтеров Formlabs организация поддерживает элитный стандарт производства, что отражается в показателе своевременной поставки более 99% и 100% удовлетворённости клиентов. Каждый компонент производится в рамках строгой системы менеджмента качества, как правило, с проведением инспекций первой статьи (FAI) для обеспечения строгого соответствия всех деталей техническим specifications.

 

Оптимизация промышленного производства с помощью 3D-принтеров Formlabs

American Additive начала 3D-печать с Form 3L, что позволило им изготавливать более крупные детали. Позже они перешли на Form 4 и Form 4L, где, по словам Мэтта Уайта, директора по инжинирингу: «Более тонкие элементы и качество поверхности серии 4 открыли для нас новые рынки». Затем последовал Fuse 1+ 30W, добавивший возможности SLS 3D-печати.

Поначалу SLA 3D-печать в основном использовалась для прототипирования и единичных изделий, но с тех пор это сместилось в сторону промышленного производства деталей для повторных аэрокосмических и оборонных заказов, при этом 60–70% текущего бизнеса составляет повторное производство. Одно семейство деталей может иметь производственную партию до 3 000 единиц, в то время как семейства деталей, производимых на SLS 3D-принтерах Fuse 1+ 30W, имеют партии в десятки тысяч единиц.

«Поскольку аэрокосмический и оборонный секторы обычно требуют меньших объёмов производства — где даже 2 000 единиц считаются высоким показателем — традиционное литьё под давлением часто оказывается экономически невыгодным. Сочетание этих меньших количеств и потребности в быстрой обработке делает 3D-печать более экономически эффективной и рациональной альтернативой традиционным процессам литья».

Мэтью Уайт, директор по инжинирингу, American Additive

В рамках этих больших объёмов деталей обычно присутствует от шести до восьми вариантов, что делает литьё под давлением ещё менее экономичным. Если требуются изменения в дизайне, при 3D-печати дополнительных затрат нет, тогда как изменения в литье под давлением стоили бы месяцев работы и десятков тысяч долларов.

Уайт и команда American Additive привносят свой опыт в аддитивном производстве, аэрокосмической и автомобильной промышленности своим клиентам, внося предложения, чтобы гарантировать, что конечный дизайн может быть массово произведён с помощью 3D-печати. Основные соображения включают: «Есть ли элементы, которые мы можем изменить, чтобы снизить затраты, цену и время выполнения?»

Уайт рассматривает эти ранние беседы не только как добавленную ценность, но и как обучение, помогая клиентам American Additive работать с возможностями, которые предлагает 3D-печать, включая геометрическую сложность.

Обеспечение оптимальной технологичности печати является основополагающим шагом в рабочем процессе American Additive. По словам Уайта, процесс начинается с оптимизации каждого дизайна в соответствии с рекомендациями Formlabs. Для SLA-производства команда сосредотачивается на стратегической ориентации деталей для обеспечения превосходного качества поверхности на критических элементах. При использовании SLS-технологии приоритет смещается в сторону максимизации плотности упаковки для повышения экономической эффективности за счёт пакетной обработки. Однако American Additive также тщательно управляет распределением тепла внутри камеры построения, чтобы обеспечить равномерное охлаждение деталей, эффективно минимизируя риск деформации. Этот скрупулёзный подход к технологичности печати позволяет организации поддерживать высокую производительность наряду с постоянным, повторяемым качеством.

SLA: Компонент для управления оптоволоконными кабелями

American Additive производит несколько версий сертифицированного производственного компонента, предназначенного для прокладки оптоволоконных кабелей внутри воздушных судов. Этот компонент должен соответствовать строгому набору технических требований:

Электростатически диссипативные свойства: материал должен быть безопасным с точки зрения ESD из-за близости чувствительных электрических систем.

Превосходное качество поверхности: гладкая текстура жизненно важна для предотвращения истирания или повреждения оптоволоконных кабелей.

Высокое разрешение элементов: точная детализация необходима для размещения кабелей малого диаметра при минимизации общего веса детали.

Структурная целостность: тонкостенные участки, некоторые толщиной всего 0,03 дюйма, должны оставаться стабильными и сопротивляться деформации.

Точные допуски: чрезвычайно жёсткие зазоры обязательны для соответствия ограниченным пространственным условиям внутри воздушного судна.

Уайт говорит: «Допуски были очень жёсткими, и, учитывая тонкий профиль детали, было значительной проблемой ориентировать её так, чтобы мы могли повторно соответствовать этим спецификациям».

Требование к улучшенному качеству поверхности немедленно исключило FDM как жизнеспособный вариант для этого компонента управления кабелями. Вместо этого American Additive использовала 3D-принтеры Form 4 Generation для достижения сложных элементов, гладкой отделки и точных допусков, требуемых клиентом. В качестве материала для построения была выбрана смола ESD Resin для обеспечения необходимых электростатически диссипативных характеристик.

Для оптимизации производства ориентация деталей была оптимизирована для минимизации точек контакта поддержек, которые могли бы помешать хрупким кабелям. После первоначальной производственной партии примерно в 2 000 единиц ожидаются последующие заказы, превышающие 1 000 единиц.

 

SLS: Компоненты для двигателей дронов

Для компонента двигателя дрона ключевыми проблемами детали были:

• Поддержание лёгкого профиля для максимизации эффективности полёта

• Удовлетворение высоких производственных потребностей в 10 000–20 000 единиц

• Интеграция исключительно тонких стенок и деликатных структурных элементов

• Включение множества небольших пазов в дизайн детали

Команда выбрала Nylon 12 GF Powder для обеспечения структурной целостности. По словам Уайта: «Жёсткость стекловолокна привлекательна. На этой детали есть очень тонкие элементы — менее 0,040 тысячных дюйма — которые были бы слишком слабыми для применения, если бы мы изготавливали их из стандартного нейлона 12».

Хотя рассматривалась 3D-печать методом мульти-струйного плавления (MJF), Уайт отмечает, что SLS предложила более экономически эффективное решение и более повторяемый производственный процесс. Кроме того, тонкие элементы и сложные пазы детали потребовали бы литьевой формы с многочисленными слайдерами — путь, который задержал бы проект более чем на год и, вероятно, привёл бы к высоким затратам на переоснастку для учёта изменений дизайна.

Система менеджмента качества AS9100D и инспекции первой статьи AS9102

Система менеджмента качества (QMS) American Additive имеет как сертификацию AS9100D, так и сертификацию ISO 9001:2015, обеспечивая полную прослеживаемость от закупки сырья до отгрузки деталей. Когда размещается заказ на работу, он обрабатывается через программное обеспечение для управления рабочими процессами, которое назначает менеджера по производству на проект. Затем маршрутные карты производства предоставляют инструкции для постобработки, такие как промывка и отверждение для SLA или просеивание и пескоструйная обработка для SLS, а также шлифовка, склеивание, сверление, покраска, установка вставок и т.д. Каждая фаза процесса требует цифровой подписи с отметкой времени для точного отслеживания.

Для SLA American Additive использует решения для постобработки Form Wash и Form Cure, предназначенные для конкретных материалов. Уайт подчёркивает преимущество этой системы, отмечая: «Наличие предварительно запрограммированных профилей промывки и отверждения — это большое преимущество». Используя эти предустановки, команда обеспечивает согласованность от партии к партии и значительно снижает риск ошибки оператора.

Fuse Blast стал преобразующим для SLS, обеспечив полную окупаемость инвестиций в течение нескольких месяцев.

«Обработка десятков тысяч деталей для двигателей дронов раньше была невероятно трудоёмкой с ручным просеиванием и пескоструйной обработкой, что делало инвестиции в Fuse Blast легко обоснованными. Это сократило дни от наших сроков выполнения. Благодаря предварительно запрограммированным профилям детали выходят готовыми и немедленно готовыми к инспекции».

Мэтт Уайт, директор по инжинирингу, American Additive

После завершения постобработки детали проходят инспекцию с использованием 3D-лазерных сканеров или различных ручных метрологических инструментов. Каждая деталь проверяется на соответствие инженерным чертежам, документируется и сохраняется в цифровом виде.

Уайт отмечает: «Многие из наших работ требуют инспекций первой статьи AS9102, которые обязывают нашу команду проверять первую деталь на соответствие чертежу. Этот процесс гарантирует, что любые отклонения выявлены и исправлены до начала крупносерийного производства, что в конечном итоге минимизирует отходы и максимизирует выход». Уайт объясняет: «Из-за этих преимуществ мы интегрировали эту методологию инспекции первой детали в каждую работу, которую мы принимаем».

3D-печатная оснастка

Помимо конечных деталей, American Additive печатает оснастку, включая сверлильные приспособления, сборочные приспособления, инспекционные приспособления, а также формы для укладки композитов и оснастку для стекловолокна и углеродного волокна, как для укладки деталей, так и для обрезки деталей после укладки.

Наиболее распространённой оснасткой, которую печатает American Additive, являются формы для укладки композитов из ULTEM 1010 и из High Temp Resin на 3D-принтерах Form 4 Generation.

«High Temp Resin очень привлекательна, потому что укладка углеродного волокна обычно требует автоклава, а High Temp Resin может выдерживать температуры автоклава, где не так много других аддитивных материалов могут. Преимущество SLA в том, что он уже очень гладкий, поэтому для детали из SLA из High Temp Resin требуется гораздо меньше финишной обработки по сравнению с деталью из FDM».

Мэтт Уайт, директор по инжинирингу, American Additive

Традиционной альтернативой 3D-печати является механическая обработка формы для укладки композитов из инварового сплава, что заняло бы несколько недель в лучшем случае или, скорее всего, несколько месяцев. С 3D-печатью форма может быть спроектирована и напечатана за одну-две недели. Помимо скорости, 3D-печатные формы предлагают эргономическое преимущество. Большая двухфутовая стальная форма требует механизмов или нескольких человек для перемещения, тогда как 3D-печатную может переместить один человек.

Кроме того, если дизайн 3D-печатной оснастки需要 доработки, это занимает минуты, чтобы исправить в CAD, а затем поставить в очередь на 3D-печать. Если её уронят или она треснет, её можно легко и быстро перепечатать, вместо того чтобы ждать месяцами, пока форму перережут заново. В аэрокосмической и оборонной отраслях ставки также выше, чем время. Уайт говорит: «Это быстрое и лёгкое восстановление для них, а не многомесячная остановка производства, что в аэрокосмическом и оборонном мире может вызвать значительные штрафы».

Помимо High Temp Resin, American Additive также использует Rigid 10K Resin для форм и Tough 1500 Resin для сборочных приспособлений. «У неё достаточно податливости, что если приспособление уронят, оно обычно остаётся целым — что делает её отличным выбором для повседневных кондукторов и приспособлений, без поведения, как у эластомера», — говорит Уайт.

Такой уровень материальной универсальности становится возможным благодаря возможностям быстрой смены материалов принтеров Form 4 Generation. «Сам процесс смены занимает, может быть, две-три минуты, — объясняет Уайт. — Некоторые смолы требуют короткого периода нагрева, но в целом вы можете перейти с одного материала на другой и вернуться к печати очень быстро». По сравнению с SLS или FDM, где замена материала может занять часы или даже целый день, SLA-технология предлагает гораздо более гибкий рабочий процесс для производителей, управляющих множеством применений.

Результаты: 100% удовлетворённость клиентов

«На данный момент в этом году наши своевременные поставки находятся в диапазоне 99%, а удовлетворённость клиентов в настоящее время составляет 100%».

Мэтт Уайт, директор по инжинирингу, American Additive

Для клиентов в аэрокосмической и оборонной отраслях, где жёсткие допуски и согласованность критически важны, такой уровень производительности особенно значим. Уайт приписывает влияние аддитивного производства в значительной степени его скорости и итеративным возможностям.

«Я постоянно возвращаюсь к скорости. С точки зрения аэрокосмического клиента, способность к итерациям огромна. В отрасли происходят advancements, которые, вероятно, не произошли бы без аддитивного производства, просто потому что команды могут прототипировать, совершенствовать и масштабировать гораздо быстрее».

Мэтт Уайт, директор по инжинирингу, American Additive

Точность, аккуратность и надёжность 3D-принтеров Formlabs обеспечивают промышленную производительность и высокий уровень повторяемости в American Additive, доказывая, что надёжные настольные и настольные 3D-принтеры могут питать американское производство.