In 3D kim loại trong ngành hàng không vũ trụ: từ những thành công ban đầu đến sự chuyển đổi của một ngành công nghiệp

Trên toàn thế giới, một làn sóng mới các kỹ sư hàng không vũ trụ đang thiết kế và chế tạo thế hệ động cơ và hệ thống hàng không thế hệ tiếp theo dựa trên khả năng mang tính cách mạng của sản xuất bồi đắp. Hai mươi năm trước, đây là một tầm nhìn, nhưng ngày nay nó đã trở thành hiện thực. Từ vòi phun nhiên liệu đến cánh tuabin áp suất thấp (LPT) Giai đoạn 5 và Giai đoạn 6, vỏ máy đến các thành phần cấu trúc, trong bài viết này, Chuyên gia tư vấn kỹ thuật Martin McMahon của tạp chí Metal AM đã đánh giá những tiến bộ đã đạt được, làm sáng tỏ các ứng dụng được chọn cung cấp thông tin chi tiết cho những người trong ngành hàng không vũ trụ muốn bắt kịp tiến độ.

Hãy quay ngược lại hai mươi năm trước, rất ít các công ty có khả năng sản xuất các bộ phận cho ngành hàng không vũ trụ bằng cách sử dụng sản xuất bồi đắp. Tuy nhiên, hiện nay có các nhà cung cấp khắp mọi nơi với quy trình sản xuất bồi đắp là trọng tâm của sự đổi mới và phát triển. Mặc dù trên thực tế, Sản xuất bồi đắp kim loại đã được phát triển trong một khoảng thời gian khá dài, nhưng chỉ trong hai thập kỷ qua, nó mới đạt được tiến triển như một công nghệ đột phá. Sự phát triển này đã biến đổi khả năng sản xuất các bộ phận nhẹ, phức tạp và hiệu suất cao của ngành hàng không vũ trụ theo những cách mà trước đây được coi là không thể.

Khả năng tạo ra các hình học phức tạp với các tính năng bên trong cần thiết cho hiệu ứng làm mát và giảm trọng lượng thông qua các thiết kế mới được tối ưu hóa đã bắt đầu cho phép cải thiện hiệu quả và nâng cao hiệu suất trong nhiều lĩnh vực của công nghệ máy bay và vệ tinh. Hiện nay, phạm vi này bao gồm từ các thành phần động cơ đến các cụm kết cấu trong các ứng dụng quan trọng về an toàn. Trong ba đến năm năm qua, ngành công nghiệp đã chứng kiến ​​sự gia tăng lớn về số lượng các trường hợp sử dụng mà các bộ phận AM được thiết kế để thay thế các bộ phận được sản xuất theo phương pháp thông thường.

Sau khi công nghệ sản xuất bồi đắp thực sự mở rộng nhanh chóng, ngành này bắt đầu báo cáo về chi phí thấp hơn, thời gian hoàn thành nhanh hơn và trong kỷ nguyên mới của sản xuất kỹ thuật số, những cải tiến lớn về thiết kế linh hoạt và phương pháp phát triển dựa trên mô phỏng và thuật toán tạo ra. Với việc sử dụng in 3D kim loại này, ngành hàng không dự đoán sẽ báo cáo về mức phát thải CO ₂ thấp hơn, cả trong quy trình sản xuất và mục đích sử dụng cuối cùng thông qua mức tiêu thụ nhiên liệu thấp hơn và xem xét các con đường hấp dẫn để phát triển bền vững hơn.

 

Tất cả những điều này không xảy ra trong một sớm một chiều, và việc ngành hàng không vũ trụ liên tục áp dụng các quy trình in 3D kim loại ‘mang tính đột phá’, chẳng hạn như Powder Bed Fusion (PBF), Directed Energy Deposition (DED) và Binder Jetting (BJT), đã mở đường cho sự đổi mới chưa từng có trong thiết kế chi tiết và phát triển hợp kim. Thế giới đã chứng kiến ​​những bước đi thử nghiệm đầu tiên của các OEM lớn và các nhà cung cấp Cấp 1. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ khám phá những thành công đáng chú ý đạt được thông qua các công nghệ này, nêu bật các ví dụ chính như cánh tua-bin trong động cơ và các thiết bị truyền thông phức tạp trong vệ tinh. Không phải là một kỳ tích tầm thường khi xét đến sự bất an sâu sắc tồn tại trong ngành này và sự bảo vệ giống như áo giáp được đặt xung quanh bất kỳ ứng dụng in 3D mới nào. Bản thân điều này rất khó hiểu, ngay cả với nhiều người làm việc trong ngành hoặc là một phần của chuỗi giá trị sản xuất bồi đắp.

Chúng tôi sẽ không đi sâu vào giải thích cho từng quy trình in 3D được đề cập vì có rất nhiều thông tin ở những nơi khác. Tương tự như vậy, mặc dù hiện nay có nhiều hợp kim mới đã được phát triển cho mục đích in 3D trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, nhưng không có đủ không gian để đưa thông tin chi tiết về những hợp kim này vào đây. Trên thực tế, có rất ít thông tin để hỗ trợ điều này. Thay vào đó, khả năng in 3D kim loại cung cấp các bộ phận đủ điều kiện bay được sản xuất hàng loạt được đưa vào trọng tâm thông qua việc xem xét các bộ phận đã được phê duyệt và đang được sử dụng hiện nay. Chúng tôi cũng sẽ giới hạn phạm vi của mình rộng rãi đối với các ứng dụng máy bay, với sự phát triển nhanh chóng của in 3D cho các ứng dụng không gian thường xuyên được giới thiệu trên các trang của tạp chí Metal AM.

Laser và Electron Beam Powder Bed Fusion: công nghệ dẫn đầu cuộc cách mạng
Laser Beam Powder Bed Fusion (L-PBF) và Electron Beam Powder Bed Fusion (EB-PBF) là công nghệ in 3D kim loại chủ đạo được sử dụng trong ngành hàng không vũ trụ. Rất đơn giản, quy trình này tận dụng lợi thế của việc dễ dàng quét nhanh hình ảnh 2D bằng tia laser hoặc chùm tia electron để làm tan chảy chọn lọc bột kim loại từng lớp một từ mô hình CAD 3D.

Các bộ phận được sản xuất theo cách này rất chắc chắn và hầu hết đều trải qua các hoạt động hoàn thiện sau xử lý quan trọng và các cuộc kiểm tra chất lượng nghiêm ngặt nhất. Do đó, chính các quy trình PBF đã tạo ra cuộc cách mạng lớn nhất trong sản xuất hàng không vũ trụ trong hai mươi năm qua. Nhóm công nghệ này, với số lượng nhà cung cấp máy móc ngày càng tăng trên toàn thế giới, đã thực sự cho phép sản xuất các hình học phức tạp hơn và các cấu trúc nhẹ, đồng thời cải thiện hiệu suất của các thành phần – tất cả đều ở mức chi phí sản xuất tổng thể thấp hơn. Thành công lớn nhất trong số các thành công là khả năng loại bỏ các kỹ thuật lắp ráp và ghép nối phức tạp bằng cách kết hợp nhiều bộ phận thành một thiết kế bộ phận duy nhất.

Thành công ban đầu của Northrop Grumman

Trước khi xem xét chi tiết các ví dụ gần đây hơn về các bộ phận bay, hoặc sắp bay, thì điều đáng ghi nhận là các bộ phận PBF đầu tiên đã được chứng nhận và bay. Vinh dự đó dường như thuộc về Northrop Grumman, được biết đến với công trình giải quyết các vấn đề khó khăn nhất trong ngành hàng không vũ trụ và quốc phòng bằng các công nghệ tiên tiến hiện nay với công nghệ sản xuất bồi đắp. Tayelor McKay, Kỹ sư hệ thống sản xuất bồi đắp chính, tuyên bố: “Là những người tiên phong trong sản xuất tiên tiến, chúng tôi có hơn hai mươi năm kinh nghiệm về sản xuất bồi đắp kim loại. Northrop Grumman đã tận dụng nhiều lợi ích của in 3D, chẳng hạn như tính linh hoạt trong thiết kế tăng lên, các bộ phận đồng nhất, hiệu suất được cải thiện và có thể giảm chi phí tới 70% và giảm thời gian hoàn thành tới 90%”.

Thật khó để tìm thấy nhiều câu chuyện khác có từ trước năm 2010, và Northrop Grumman đã báo cáo rằng họ đã thực hiện xác nhận khả năng bay đầu tiên vào năm 1999 bằng quy trình DED bằng laser/bột, sau đó tiếp tục thiết lập thành phần EB -PBF Ti-6Al-4V khả năng bay đầu tiên vào năm 2007; một bộ trộn khí ấm được sử dụng trên Hệ thống chiến đấu không người lái X-47B của Hải quân Hoa Kỳ

 

McKay giải thích cách Northrop Grumman tiếp tục sản xuất thứ được cho là thành phần máy bay PBF titan đầu tiên được sử dụng trong chuyến bay thực sự, khi công ty cung cấp bốn bộ phận cho X-47B đã phóng thành công từ tàu sân bay của Hải quân Hoa Kỳ vào năm 2011.

Thực tế là điểm cuối cùng này có vẻ hợp lý với nhiều người, cũng giống như đối với nhiều loại vật đúc khác nhau, vẫn là rào cản sau hơn mười lăm năm. Trong số ngày càng nhiều công ty trong lĩnh vực hàng không vũ trụ mới sử dụng công nghệ in 3D và vẫn chỉ mới bắt đầu nghiên cứu khả năng sản xuất hàng loạt, vấn đề về độ nhám bề mặt vẫn là một câu hỏi phổ biến. Đối với nhiều người ra quyết định, đây vẫn là nguồn nghi ngờ về hiệu quả của các bộ phận in 3D kim loại. Người ta nghi ngờ rằng lý do nằm ở tính khả dụng của các trường hợp sử dụng in 3D kim loại đã được công bố trong ngành hàng không vũ trụ. Do đó, chúng tôi hy vọng rằng việc nêu bật chỉ một trong nhiều câu chuyện thành công, trong đó các bộ phận in 3D kim loại đã được sử dụng trong hơn một thập kỷ, sẽ làm giảm bớt mối lo ngại: các bộ phận của X-47B thực sự chiếm một số lượng đáng kể giờ bay.

Trong những năm sau lần chứng nhận đầu tiên này của EB – PBF Ti-6Al-4V, Northrop Grumman đã tiếp tục chứng nhận nhiều thành phần trên một số chương trình hàng không và vũ trụ, trong đó có một thành phần gần đây nhất là tấm cảm biến lạnh được sử dụng trong Mission Systems Sector và được sản xuất bằng AlSi10Mg thông qua L – PBF. Caleb Martin, một Kỹ sư thiết kế cơ khí, nhận xét, “Sự nhanh nhẹn mà in 3D mang lại cho phép chúng tôi thiết kế, lặp lại và cung cấp các tấm lạnh chỉ trong một phần tư thời gian sản xuất truyền thống”.

 

Để chứng minh in 3D kim loại đã thay đổi chu kỳ thiết kế sản phẩm như thế nào, Northrop Grumman đã hoàn thành bản vẽ cho bộ phận này vào tháng 1 năm 2022 và giao phần cứng chức năng vào tháng 8 năm 2022. Kể từ đó, công ty đã giao 16 bộ phận phức tạp này được lắp ráp thành các khẩu độ đa chức năng, hợp nhất nhiều bộ phận chức năng thành một cảm biến duy nhất, giúp giảm cả số lượng khẩu độ cần thiết cũng như kích thước, trọng lượng và yêu cầu về công suất thường đi kèm với các khả năng tiên tiến như vậy.

Rõ ràng là in 3D kim loại đã giúp Northrop Grumman nhanh chóng tận dụng công nghệ được phát triển cho các chương trình khác và điều chỉnh chúng cho nhiều khả năng, chẳng hạn như trong cảm biến tích hợp đa chức năng có thể định cấu hình lại được quét điện tử (EMRIS). Các thiết bị quan trọng này được sử dụng để thực hiện các chức năng trong radar, chiến tranh điện tử và truyền thông đồng thời. Có lẽ đây là công ty đầu tiên áp dụng và tích hợp in 3D  kim loại vào vòng đời sản phẩm và tiếp tục phát triển in 3D kim loại hơn nữa trên nhiều nền tảng khác nhau.

GE: Vòi phun nhiên liệu và hơn thế nữa

Tất nhiên, trong khoảng thời gian hai mươi năm đó, Northrop Grumman không đơn độc trong việc phát triển in 3D kim loại, và giờ đây mọi người đều quen thuộc với vòi phun nhiên liệu được công bố rộng rãi do GE Aerospace sản xuất cho CFM International trong động cơ LEAP 1A và 1B. Mỗi động cơ này, hiện đang phổ biến trên một số máy bay một lối đi, sử dụng mười tám hoặc mười chín vòi phun nhiên liệu được sản xuất theo phương pháp bồi đắp, tùy thuộc vào kiểu động cơ cụ thể.

CFM International, một liên doanh giữa GE Aerospace của Hoa Kỳ và Safran của Pháp, đã tuyên bố rằng các vòi phun nhiên liệu được sản xuất theo công nghệ bồi đắp của họ bền hơn tới năm lần so với các thiết kế trước đây, điều này được cho là nhờ vào cách thức mà công nghệ Sản xuất bồi đắp cho phép họ tạo ra một thiết kế đơn giản hơn với số lượng bộ phận ít hơn trong vòi phun, giúp giảm đáng kể lượng hàn và hàn đồng thau cần thiết trong cụm lắp ráp hoàn thiện.

GE Aerospace chịu trách nhiệm sản xuất vòi phun nhiên liệu này, được chế tạo bằng L – PBF và hợp kim coban-crom, tại cơ sở Auburn, Alabama, bắt đầu sản xuất quy mô lớn vào năm 2015. Vào năm sau, nó đã đi vào hoạt động kinh doanh và hiện được sử dụng trên các máy bay chở khách Airbus A220, A320neo, A321neo, Boeing 737 MAX và COMAC C919. Các hãng hàng không được báo cáo là đang trải nghiệm hiệu suất nhiên liệu tốt hơn 15% so với các động cơ thế hệ trước, giúp giảm tác động tổng thể đến môi trường của các chuyến bay thương mại.

Vào mùa hè năm 2021, quan hệ đối tác đã công bố rằng các bộ phận in 3D kim loại đã đạt được 10 triệu giờ bay và rằng cơ sở Auburn đã sản xuất vòi phun nhiên liệu in 3D  kim loại thứ 100.000. Không hề cường điệu khi nói rằng điều này thực sự báo hiệu sản xuất hàng loạt đầu tiên các bộ phận hàng không vũ trụ sử dụng công nghệ AM kim loại. Với sản lượng hàng trăm bộ phận mỗi tuần kể từ năm 2019 và tính đến số lượng bộ phận giảm xuống thành một bộ phận duy nhất, đây là bằng chứng rất mạnh mẽ cho thấy in 3D kim loại đã được chấp nhận là một phương pháp sản xuất khả thi về mặt kinh tế.

GE Aerospace cũng đã thực hiện một số hành trình phát triển khác bằng cách sử dụng AM kim loại và hiện sản xuất hơn 300 thành phần kim loại được sản xuất theo phương pháp bồi đắp cho động cơ phản lực cánh quạt GE9X, được Boeing lựa chọn sử dụng cho máy bay chở khách 777X của mình. Thế hệ động cơ máy bay mới nhất này bao gồm các bộ phận in 3D đã phát triển để kết hợp nhiều thành phần thành các đơn vị được thiết kế duy nhất, chẳng hạn như vòi phun nhiên liệu, bộ trao đổi nhiệt, vỏ cảm biến, bộ trộn buồng đốt và bộ nạp, cũng như được sử dụng để sản xuất các bộ phận quan trọng lớn như cánh tua-bin áp suất thấp (LPT) Giai đoạn 5 và Giai đoạn 6.

 

Những cánh quạt độc đáo này được làm từ titan aluminide, được lựa chọn vì hiệu suất chịu nhiệt độ cao đặc biệt và được sản xuất bởi Avio Aero (được GE mua lại vào tháng 8 năm 2013) tại nhà máy ở Cameri, Novara, Ý, từ năm 2014. Sử dụng EB – PBF, cho đến nay Avio Aero đã sản xuất tất cả các cánh quạt LPT cần thiết để đạt được chứng nhận FAA cho động cơ GE9X (đạt được vào tháng 9 năm 2020) và hỗ trợ quá trình chứng nhận cho máy bay Boeing 777X.

Sự phát triển của các cánh quạt TiAl LPT này, như thể hiện trong Hình 7, cũng dẫn đến việc chúng chỉ bằng một nửa trọng lượng của các cánh quạt tuabin hợp kim niken truyền thống. Dave Abbott của GE Aerospace tuyên bố, “Đối với động cơ GE9X, điều này có nghĩa là giảm 10% mức tiêu thụ nhiên liệu và do đó giảm lượng khí thải”. Abbott cũng tiếp tục giải thích cách Sản xuất bồi đắp đã cung cấp cho các kỹ sư của Avio Aero nhiều quyền tự do sáng tạo hơn, dẫn đến sự thay đổi trong cách tiếp cận các thiết kế mới và cho phép các thành phần phức tạp hơn.

 

Hơn nữa, động cơ tua bin cánh quạt Catalyst mới, một sản phẩm của GE’s Avio Aero, là động cơ đầu tiên được hình thành, thiết kế và sản xuất bằng các bộ phận được sản xuất theo phương pháp bồi đắp. Động cơ này luôn được coi là một ‘kẻ thay đổi cuộc chơi’ cho phân khúc của nó trong ngành. Về hiệu suất, GE đã giới thiệu hai tầng cánh quạt stato biến thiên, cánh tua bin áp suất cao được làm mát và FADEC (Kiểm soát động cơ kỹ thuật số toàn quyền). Nó hoạt động ở tỷ lệ áp suất tổng thể 16:1 tốt nhất trong ngành, cho phép động cơ cung cấp hiệu suất nhiên liệu tốt hơn tới 20% và công suất bay cao hơn 10% so với động cơ tua bin cánh quạt cạnh tranh.

Động cơ hàng không MTU

MTU Aero Engines cũng gần như đứng đầu danh sách những công ty áp dụng sớm. Công ty này đã tận dụng L-PBF Additive Manufacturing để sản xuất một ống ngắm cho động cơ Pratt & Whitney PurePower PW1100G-JM cung cấp năng lượng cho A320neo . Ứng dụng này đã được phát triển trong nhiều năm trước khi bắt đầu sản xuất vào năm 2013.

Liebherr

Ít người biết rằng Liebherr đã sử dụng L-PBF để sản xuất các bộ phận điều khiển bay được sử dụng trên Airbus A380. Đáng buồn thay, trong khi lĩnh vực MRO dài hạn vẫn có thể có kế hoạch sử dụng in 3D cho ứng dụng này, việc ngừng sản xuất A380 sẽ không dẫn đến việc sản xuất hàng loạt các bộ phận cụ thể này. Công ty cũng đã sản xuất giá đỡ mũi bánh đáp cho A350 XWB, được báo cáo là bộ phận Airbus đầu tiên đủ điều kiện để sản xuất bồi đắp bằng titan.

Máy bay Airbus

Airbus đã đạt được thành công tiếp theo cho in 3D kim loại trên máy bay A350 XWB của mình và đã sử dụng Sản xuất bồi đắp kim loại để sản xuất trục chốt cửa và các thành phần khác kể từ năm 2019. Thông qua chuỗi cung ứng nội bộ của riêng mình, các bộ phận đã được sản xuất bởi một công ty chị em, Airbus Helicopters tại Donauwörth, Đức. Được làm từ Ti-6Al-4V theo từng đợt lên đến hai mươi tám bộ phận cùng một lúc, cho đến nay, công ty đã sản xuất hơn 1.000 bộ phận bằng cách sử dụng L-PBF đa laser và gần đây đã bắt đầu lắp những bộ phận này vào máy bay chở khách đang hoạt động. Philippe Emile, một chuyên gia Sản xuất bồi đắp tại Airbus ở Pháp, đã đưa ra lời đề nghị, “Trục chốt in nhẹ hơn 45% và rẻ hơn 25% khi sản xuất so với các loại trục chốt truyền thống”.

Safran

Mỗi chủ sở hữu chung của CFM International tiếp tục khám phá và phát triển các bộ phận sản xuất kim loại riêng biệt trong các công ty trong tập đoàn rộng lớn hơn của mình, cũng như hầu hết các công ty lớn khác trong ngành. Ngày nay, in 3D kim loại đã được tích hợp vào một số lượng lớn các chu kỳ phát triển và sản xuất sản phẩm. Năm 2019, Safran Aero Boosters thông báo rằng họ đã nghiên cứu từ năm 2015 về một giải pháp thay thế cho vỏ đúc cho một bộ phận bôi trơn được sử dụng trên động cơ LEAP và được tối ưu hóa cho Sản xuất bồi đắp. Safran Aero Boosters đã sản xuất các bộ phận mới bằng cùng một hợp kim nhôm F357 như đúc ban đầu và đạt được TRL 6 với L-PBF khi một trong các bộ phận bôi trơn lần đầu tiên được sử dụng trên động cơ LEAP-1A. Tuy nhiên, không giống như GE Aerospace, Safran không có năng lực sản xuất nội bộ tại thời điểm đó và thay vào đó đã chọn phát triển chuỗi cung ứng bên ngoài, giao phó việc sản xuất các bộ phận cho các nhà cung cấp dịch vụ in 3D kim loại bên ngoài.

Hàng không vũ trụ Collins

Công ty RTX Group Collins Aerospace cũng rất tích cực trong việc triển khai in 3D và cho đến nay đã sản xuất hơn bảy mươi lăm bộ phận khác nhau. Là một nhà cung cấp Tier 1 lớn, công ty có cơ hội tìm kiếm nhiều ứng dụng khác nhau cho in 3D và những thành công bao gồm các bộ phận cho quản lý nhiệt, động cơ, nacelle và nhiều vòi phun, vỏ và cảm biến khác nhau. Thông qua việc áp dụng các nguyên tắc đằng sau ‘Thiết kế cho in 3D’, Collins báo cáo rằng hiện tại công ty thường xuyên đạt được mức tiết kiệm trọng lượng từ 10-30%, với mức giảm số lượng bộ phận tương ứng là 50-80%. Có lẽ quan trọng hơn, công ty đang chứng kiến ​​thời gian hoàn thành giảm 60-80%. Một trong những thành công chính của công ty là mảng thác đảo ngược lực đẩy cấu trúc được sản xuất theo phương pháp bồi đắp lớn trên nacelle được sử dụng trên máy bay phản lực thương mại.

Rolls Royce

Trong khi Rolls-Royce vẫn chưa tuyên bố bất kỳ ứng dụng chính thống nào của in 3D kim loại, thì vào năm 2015, hãng đã công bố rằng họ đã sản xuất thành công một vỏ ổ trục trước bằng titan lớn cho động cơ Trent XWB-97. Cấu trúc có đường kính 1,5 mét này được lắp ráp từ nhiều bộ phận in 3D kim loại do EB-PBF sản xuất, vào thời điểm đó, là cấu trúc chịu tải lớn nhất từng bay trên một máy bay thương mại khi nó được sử dụng trong chuyến bay thử nghiệm của một chiếc Airbus A350.

Mặc dù bộ phận này chưa bao giờ được đưa vào sản xuất, nhưng nó đã chứng minh rằng in 3D có khả năng sản xuất các bộ phận quan trọng đối với an toàn. Việc đánh giá liên tục các công nghệ in 3D đã mang lại cho Rolls-Royce sự tự tin để tiếp tục phát triển các bộ phận cho động cơ UltraFan® thế hệ tiếp theo. Kết quả của việc này vẫn chưa được công bố, nhưng bộ phận in 3D này được cho là thậm chí còn lớn hơn bộ phận được sử dụng trên Trent XWB-97.

Rolls-Royce cũng đã làm việc với các đối tác cung cấp của mình tại Tây Ban Nha, ITP Aero. Có khả năng động cơ mới sẽ bao gồm một vỏ ổ trục đuôi (TBH) được sản xuất theo phương pháp bồi đắp, đã có trong động cơ trình diễn được cho là đã được lắp ráp và thử nghiệm tại Derby vào năm ngoái. Là một thành phần cấu trúc quan trọng, TBH được thiết kế để chịu được tải trọng vận hành trong mọi điều kiện. Một phần của các ổ trục hỗ trợ trục quạt, hệ thống đẩy chính của động cơ, được bao gồm trong vỏ, cũng như các tấm giảm âm có thể tháo rời; những thứ này cũng được in 3D sản xuất cho động cơ trình diễn.

Những phát triển gần đây khác của Rolls-Royce bao gồm một buồng đốt phát thải thấp được sản xuất bằng công nghệ bồi đắp cho động cơ Pearl 10X đã được phát triển cho máy bay phản lực thương mại Falcon 10X của Dassault. Bộ phận này đã được sản xuất trên hệ thống L-PBF đa laser và bao gồm các tấm in 3D  sau đó được lắp ráp để tạo thành thân của cụm buồng đốt. Ưu điểm mà in 3D được cho là đã mang lại cho Rolls-Royce liên quan đến các buồng đốt động cơ trước đây, được sản xuất bằng phương pháp đúc, đòi hỏi phải khoan các lỗ làm mát vào chúng. in 3D cung cấp nhiều tự do hơn để thiết kế các lỗ cần thiết trực tiếp vào từng bộ phận, tất cả đều có thể được tối ưu hóa hoàn toàn cho luồng không khí làm mát mà cụm buồng đốt yêu cầu. Về mặt hiệu suất, thiết kế mới được cho là có số điểm nóng nhiệt độ giảm giúp tăng cường công suất từ ​​tua-bin áp suất cao của động cơ, từ đó sẽ dẫn đến hiệu quả nhiên liệu cao hơn trong khi đồng thời giảm lượng khí thải nitơ oxit.

Công ty United Engine

Phát triển động cơ sử dụng công nghệ in 3D kim loại cũng đã trở thành ưu tiên toàn cầu. United Engine Corporation (UEC) có trụ sở tại Moscow đã tuyên bố rằng họ có ý định sản xuất tới 70% động cơ VK-1600V, động cơ đầu tiên được thiết kế và mô hình hóa 3D hoàn chỉnh, sử dụng công nghệ in 3D. Động cơ sẽ được sử dụng trên trực thăng Ka-62 và khi kết hợp với các thành phần khác trong khung máy bay, công ty cho biết khoảng 10% trực thăng Ka-62 sau đó sẽ được in 3D. VK-1600V được cho là sẽ đi vào hoạt động trong năm nay, với việc sản xuất hàng loạt các bộ phận in 3D bằng kim loại sẽ bắt đầu vào năm 2024.

Eaton

Ở nơi khác trong chuỗi cung ứng rất rộng rãi của ngành hàng không vũ trụ, các nhà cung cấp linh kiện quan trọng như Eaton đã và đang phát triển năng lực in 3D của riêng họ. Trong nhiều năm, công ty đã phát triển các quy trình in 3D với titan, Inconel, thép không gỉ và hợp kim nhôm, và gần đây đã hợp tác với Airbus để phát triển một khuôn khổ đủ điều kiện nội bộ cho các máy bơm phản lực thu hồi nhiên liệu sản xuất của Eaton sử dụng công nghệ L-PBF. Quy trình này cũng phải chứng minh rằng các máy bơm mới sản xuất của Eaton sẽ hoạt động theo các thông số kỹ thuật linh kiện ban đầu, yêu cầu của khách hàng và các tiêu chuẩn về khả năng bay của EASA và FAA.

Mike York, Giám đốc in 3D và Kỹ thuật số tại Eaton cho biết, “Eaton Aerospace đang tận dụng sức mạnh của in 3D để tạo ra các giải pháp sản phẩm và hệ thống vượt trội cho khách hàng của chúng tôi, dẫn đến tăng thị phần. Ngoài ra, chúng tôi đã khai thác công nghệ để giảm đáng kể trọng lượng, số lượng linh kiện và lắp ráp cần thiết, dẫn đến tiết kiệm đáng kể trong hoạt động.”

Sau một thời gian thẩm định kéo dài, máy bơm phản lực thu hồi nhiên liệu được sản xuất theo phương pháp bồi đắp của Eaton đã được EASA chấp thuận cho chuyến bay thương mại và hiện đang được đưa vào sử dụng. Trong quy trình bồi đắp của mình, công ty không chỉ giảm 30% trọng lượng máy bơm mà còn giảm thời gian lắp ráp linh kiện và loại bỏ các đường rò rỉ tiềm ẩn, chẳng hạn như phớt và mối nối ren, phát sinh từ việc hợp nhất mười một bộ phận thành một bộ phận duy nhất.

Tiếp nối truyền thống lâu đời của mình trong lĩnh vực đúc và gia công, Eaton hiện đang kết hợp công nghệ in 3D trên toàn bộ doanh nghiệp để bổ sung cho các quy trình sản xuất hiện có của mình, cũng như sử dụng các quy trình phụ gia như Cold Spray để cải thiện các tùy chọn sửa chữa cho các bộ phận cũ hơn và độc đáo hơn dành cho khách hàng hậu mãi. York nói thêm rằng “Những ví dụ này cho thấy các nguyên tố hàng không vũ trụ và chuỗi cung ứng hiện đang tích cực hợp tác để triển khai các giải pháp in 3D kim loại và chúng ta sẽ chỉ thấy nhiều hơn thế nữa trong tương lai”.

Giải pháp vệ tinh và ăng-ten

Xa hơn nữa, trong lĩnh vực không gian, Sản xuất bồi đắp gần như đã trở thành chuẩn mực. Với động cơ tên lửa là một chủ đề riêng biệt – các thành phần đã được sản xuất thường xuyên bao gồm van oxy hóa trong động cơ Merlin 1D được sử dụng trên tên lửa Falcon 9 của SpaceX, động cơ Super Draco cung cấp hệ thống đẩy chịu lỗi cho hệ thống thoát hiểm của khoang tên lửa SpaceX Dragon 2 và các tua-bin do GKN cung cấp cho Ariane Group cho động cơ Prometheus trên Ariane 6. NASA cũng đi đầu trong việc áp dụng in 3D kim loại và xe tự hành Perseverance được gửi đến Sao Hỏa có mười một thành phần in 3D kim loại được sử dụng trong hai thiết bị của nó.

Tuy nhiên, in 3D kim loại lần đầu tiên được sử dụng trong các ứng dụng không gian ít thách thức hơn và hợp kim AlSi10Mg đã được sử dụng trên một số chương trình vệ tinh. Trong những trường hợp này, chính chuỗi cung ứng dường như đã phản ứng tốt với việc sử dụng in 3D kim loại cho các ứng dụng tiên tiến này, cung cấp nhiều thiết bị liên lạc thụ động và chủ động khác nhau cho Airbus Defence and Space (AD&S). Công ty có trụ sở tại Vương quốc Anh đã ký hợp đồng với các nhà cung cấp dịch vụ in 3D bên ngoài để sản xuất các bộ phận như giá đỡ ăng-ten TMTC được công bố rộng rãi từ năm 2015, có lẽ là bộ phận đầu tiên đủ điều kiện được sử dụng trong nhiệm vụ phóng trên các vệ tinh Eurostar E3000 và gần đây hơn là hơn 500 thành phần ống dẫn sóng vô tuyến cho hai vệ tinh Eurostar Neo-series, HOTBIRD 13F và 13G. Tất cả các chương trình vệ tinh này đều đã được phóng thành công trước năm 2022 để hỗ trợ các dịch vụ chuyển tiếp truyền hình của Eutelsat trên khắp Châu Âu, Trung Đông và Bắc Phi. Giá đỡ TMTC là một bước ngoặt đối với công ty khi đạt được mức tiết kiệm trọng lượng 35% và giảm thiết kế của giá đỡ trước đó, bao gồm bốn bộ phận và bốn mươi bốn đinh tán, thành một khối duy nhất. Tuy nhiên, bằng cách áp dụng phần mềm thiết kế tạo sinh, công ty cũng có thể sản xuất ra một bộ phận cứng hơn 40% so với bộ phận được sản xuất trước đó.

Chỉ riêng ví dụ trên đã cung cấp bằng chứng đầy đủ về sự sẵn sàng của chuỗi cung ứng sản xuất bồi đắp mới nổi để đáp ứng nhu cầu của ngành hàng không vũ trụ. Điều này bao gồm các công ty như Optisys đã phát triển toàn bộ một loạt sản phẩm thông qua in 3D. Giám đốc đổi mới sáng tạo, Rob Smith, tuyên bố rằng họ đã thấy tất cả những lợi ích này bằng cách triển khai in 3D, “Thời gian quay vòng nhanh chóng trong quá trình phát triển và sản xuất cho các kết hợp tùy chỉnh và các tùy chọn lắp đặt. Cũng như có thể thiết kế các gói nhỏ hơn nhiều, nhẹ hơn, có độ tin cậy cao hơn thông qua việc giảm số lượng bộ phận và mô hình hiệu suất nhất quán hơn”.

 

Công ty đã phát triển các giải pháp ăng-ten in 3D từ năm 2016 và đã cung cấp hơn bốn mươi bộ phận không gian cho nhiều nền tảng khách hàng khác nhau, chủ yếu nhắm vào mục đích sử dụng Quỹ đạo Trái đất Thấp (LEO). Một số bộ phận đã được đưa vào các chương trình phóng thành công, như các bộ phận ăng-ten mảng sừng được giao cho Trạm vũ trụ quốc tế (ISS) vào tháng 11 năm 2018 và một số chương trình vệ tinh thương mại khác cho đến năm 2022.

Công ty thiết kế độc quyền các bộ phận này với AM là quy trình sản xuất theo ý định và đã đạt được một số hiệu suất tăng đáng kể. So với một thiết bị lịch sử từng nặng 4-5 kg, giờ đây chúng có thể cung cấp chức năng tương đương trong một thiết bị chỉ nặng 40-50 g. Ngay cả những thiết kế điển hình hơn của công ty cũng có tác động rất lớn và Smith cho biết, “Chúng tôi giảm trọng lượng trung bình 50-80% theo cảm nhận chung của tôi về ngành này”. Việc giảm trọng lượng tốt nhất đến từ việc giảm đáng kể số lượng bộ phận và loại bỏ vít, vòng đệm và bộ chuyển đổi. Ông nói thêm, “Tôi cho rằng chúng tôi thay thế 100:1 khá thường xuyên trên các mạng ống dẫn sóng thụ động của mình và trong nhiều trường hợp, các thiết kế kết quả của chúng tôi đơn giản là không thể được xây dựng bằng các quy trình truyền thống”.

Đây là một ngành công nghiệp thực sự được hưởng lợi từ khía cạnh tùy chỉnh hàng loạt mà không cần phải thay đổi bất kỳ quy trình sản xuất nào. Trong ví dụ từ Optisys, công ty đã có thể tạo ra một dòng sản phẩm trong đó các bộ phận tương tự nhau nhưng hoạt động ở tần suất hơi khác nhau. Điều này thường đòi hỏi những thay đổi đáng kể trong các bộ phận được thiết kế và sản xuất theo thông lệ. Nó cũng được hưởng lợi từ thời gian giao hàng được giảm đáng kể. Mặc dù phần lớn thời gian của nó được dành cho việc xác minh thiết kế, vốn không chỉ có trong các quy trình in 3D, nhưng nó đang làm việc với ít bộ phận hơn, nghĩa là các bước thiết kế, lập tài liệu, phát hành và lắp ráp được giảm đáng kể. Nhờ cách tiếp cận độc đáo của mình, công ty tuyên bố có thể giao các bộ phận vào thời hạn quan trọng, trong khi những công ty khác đơn giản là không thể.

Nói về việc tùy chỉnh và thời gian giao hàng, Smith kết luận, “Quy trình sản xuất của chúng tôi luôn giống nhau và theo cách này, chúng tôi có thể tùy chỉnh tốt thông qua sản xuất kỹ thuật số…. chúng tôi đã giao các thiết kế chỉ trong vòng hai tuần, điều này hoàn toàn chưa từng có trong ngành của chúng tôi, nhưng thông thường tôi cho rằng chúng tôi rút ngắn thời gian từ nhiều năm xuống còn sáu đến chín tháng.”

 

Phần kết luận

Các ví dụ được trình bày ở đây được cung cấp bởi một số công ty hàng đầu trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, nhưng có nhiều ví dụ khác có thể được tìm thấy trong các bài viết và thông cáo báo chí trên khắp internet. Hai mươi năm trước, đây sẽ là một câu chuyện rất ngắn để kể, nhưng ngày nay, sẽ rất dễ dàng để dành cả một cuốn sách cho chủ đề này.

In 3D kim loại đã đưa ngành hàng không vũ trụ vào kỷ nguyên mới của sự tự do trong thiết kế, cấu trúc nhẹ và hiệu suất được cải thiện. Việc ứng dụng thành công công nghệ Powder Bed Fusion, Directed Energy Deposition và công nghệ Binder Jetting, không chỉ đơn thuần phá vỡ hiện trạng mà còn cách mạng hóa tiềm năng sản xuất các bộ phận chức năng lớn hơn, với hình học phức tạp hơn, để cải thiện hiệu suất nhiên liệu, giảm khí thải và tăng độ bền.

Khi ngành hàng không vũ trụ tiếp tục khám phá khả năng của in 3D kim loại trong toàn bộ chuỗi giá trị sản xuất các bộ phận của mình, sẽ có sự phát triển liên tục về cách thức: chuẩn bị tệp xây dựng, mô hình hóa được sử dụng để bù đắp cho sự biến dạng, đường chạy dụng cụ được tối ưu hóa, xử lý và tái chế vật liệu sẽ bền vững hơn và hậu xử lý, kiểm tra, đủ điều kiện và chứng nhận sẽ được chuẩn hóa.

Điều này được hỗ trợ bởi sự phát triển song song của các tiêu chuẩn công nghiệp rất cần thiết của các tổ chức như ISO, ASTM và SAE International. Tất cả đều tập trung vào các nhóm làm việc chuyên tạo ra các yêu cầu được ghi chép lại đối với các quy trình, vật liệu và bộ phận có thể được sử dụng trong sản xuất các sản phẩm hàng không vũ trụ, và ISO và ASTM đã kết hợp nỗ lực của họ vào một số tiêu chuẩn đã công bố. Cho đến nay, ASTM, do Ủy ban F42 đứng đầu, đã công bố ba tiêu chuẩn nhằm vào trình độ máy móc, trình độ người vận hành và phân loại bộ phận được áp dụng cụ thể cho ngành hàng không vũ trụ.

Bốn tiêu chuẩn khác hiện đang trong các giai đoạn phát triển khác nhau. Tương tự như vậy, cơ quan công nghiệp chuyên về tiêu chuẩn trong lĩnh vực này, SAE International, cũng có các nhóm làm việc ASM AM – Kim loại. Mặc dù SAE đã hơi chậm trễ trong việc xem xét các tiêu chuẩn sản xuất các bộ phận hàng không vũ trụ, nhưng kể từ năm 2016, cơ quan này đã công bố tổng cộng ba mươi ba Tiêu chuẩn và Thực hành được khuyến nghị. Tiếp theo là ba mươi sáu tài liệu khác hiện đang được thực hiện, với nửa tá hoặc nhiều hơn nữa rất gần với việc công bố vào cuối năm nay. Những tài liệu này bao gồm mọi thứ từ thành phần bột kim loại và nguyên liệu đầu vào dạng dây và các đặc tính vật lý, các yêu cầu tối thiểu về quy trình và tài liệu cụ thể về hồ sơ, thậm chí cả các yêu cầu để giám sát và tái chứng nhận việc tái chế và tái sử dụng nguyên liệu đầu vào.

Hơn nữa, tương lai của in 3D kim loại hiện đã được đảm bảo khi các tổ chức như FAA (tại Hoa Kỳ) và EASA (tại Châu Âu) đang hợp tác với nhau để đảm bảo có nền tảng vững chắc cho việc chứng nhận khả năng bay của các bộ phận IN 3D . Cuộc họp gần đây tại Köln, Đức, của các tổ chức này đã tổ chức hội nghị chung về IN 3D trong nhiều năm, đã nhấn mạnh rằng giám sát tại chỗ phải là một lĩnh vực quan trọng mà các nhà cung cấp hệ thống và người dùng phải phát triển thêm. Một nhóm làm việc, ‘Phát triển Kế hoạch năm năm để cho phép EASA/FAA chấp thuận – Giám sát máy’ và hiện đang trong năm thứ ba, sẽ đưa ra các biện pháp cho phép chuỗi cung ứng vượt qua các tiêu chí chấp thuận của FAA/EASA. Điều này đặt ra thử thách cho tất cả các OEM máy AM; họ phải phản ứng bằng cách đưa công nghệ của mình vượt ra ngoài cấp độ chỉ tạo dữ liệu từ các bản dựng, để biến dữ liệu này thành các báo cáo bản dựng có ý nghĩa đầy đủ đảm bảo chất lượng bộ phận.

Tác giả

Tiến sĩ Martin McMahon
, Chuyên gia tư vấn kỹ thuật, tạp chí Metal AM và là người sáng lập MAM Solutions.

Martin.McMahon@MAMSolutions.uk