Национальная лаборатория Оук-Ридж (США) напечатала на 3D-принтере почти 2-тонную композитную форму для самолётов Boeing

Репортаж от Wedoany，21 сентября Национальная лаборатория Оук-Ридж (ORNL) Министерства энергетики США объявила о завершении крупномасштабного проекта по аддитивному производству металлов в сотрудничестве с Boeing: обе стороны с помощью технологии электродугового аддитивного производства напечатали на 3D-принтере комплект формообразующего штампа Stamp Form Die (SFD) для формования термопластичных композитов массой почти 2 тонны. Высота штампа составляет около 6 футов, ширина — около 4 футов, непрерывная печать длилась 8 недель. В дальнейшем Boeing будет использовать его в рамках проекта NASA по высокопроизводительному производству композитных самолётов HiCAM для отработки технологии быстрого формования крупногабаритных деталей из термопластичных композитов.

SFD относится к оснастке для прессового формования: листы термопластичного композита после нагрева помещаются между верхней и нижней металлическими формами, и под давлением происходит формование детали. Традиционный SFD обычно требует прохождения нескольких производственных операций, включая механическую обработку, литьё, ковку и сверление. ORNL и Boeing в этот раз сосредоточились на проверке того, можно ли с помощью электродугового аддитивного производства (WAAM) сократить цикл изготовления крупногабаритной оснастки и интегрировать каналы терморегулирования непосредственно внутрь формы.

Для печати в проекте использовалась система Arc-1 производственно-демонстрационного комплекса ORNL, состоящая из промышленного робота и сварочной горелки; она послойно формирует изделие путём непрерывного расплавления металлической проволоки и может одновременно подавать несколько видов металлических материалов. В этот раз несущие зоны корпуса формы были выполнены из низкоуглеродистой стали для обеспечения требований по прочности и жёсткости конструкции; рабочие поверхности были наплавлены нержавеющей сталью для повышения коррозионной стойкости, размерной стабильности и долговечности при длительной эксплуатации. Многоматериальный процесс WAAM позволяет в рамках одной крупногабаритной оснастки подбирать материалы в соответствии с требованиями к характеристикам различных зон.

Структура терморегулирования — ещё один ключевой аспект конструкции данной формы. Традиционные крупногабаритные металлические формы обычно имеют прямолинейные каналы нагрева и охлаждения, сформированные сверлением, тогда как аддитивное производство позволяет инженерам непосредственно в процессе печати формировать изогнутые каналы, повторяющие криволинейную поверхность формы, благодаря чему теплоноситель и хладагент оказываются ближе к формообразующей поверхности. Такая конструкция позволяет улучшить распределение температуры по форме и эффективность термических циклов, что напрямую влияет на процессы быстрого нагрева, формования и охлаждения термопластичных композитов.

Крупногабаритная стальная оснастка в процессе WAAM сталкивается с выраженными проблемами остаточных напряжений и деформации. По мере послойного осаждения и охлаждения расплавленного металла форма склонна к короблению и размерным отклонениям. Команда ORNL для этого добавила временные рёбра жёсткости на тыльной стороне формы и с помощью моделирования остаточных напряжений постоянно корректировала конструкцию и компенсационные параметры печати. После 32 итераций моделирования отклонение между окончательно напечатанным изделием и целевой геометрией было удержано в пределах нескольких миллиметров.

После завершения печати форма была отправлена в Baker Industries (штат Мичиган) для отжига с целью снятия внутренних остаточных напряжений, затем были удалены временные поддерживающие рёбра, установленные на этапе печати, и продолжены чистовые и прочие производственные операции, чтобы конечный SFD соответствовал требованиям Boeing к эксплуатации. Baker Industries является предприятием, входящим в Lincoln Electric, а сама технология WAAM ранее развивалась ORNL и Lincoln Electric совместно в рамках соглашения о сотрудничестве в области НИОКР.

Эта форма войдёт в систему валидации производства композитных самолётов в рамках проекта NASA HiCAM. HiCAM в первую очередь изучает способы повышения скорости производства конструкций гражданских самолётов из композиционных материалов, и быстрое формование термопластичных композитов является одним из важных технологических направлений. В данном проекте проверялся этап изготовления крупногабаритной металлической формообразующей оснастки, а не прямое 3D-печать элементов конструкции самолёта; ключевой результат заключается в том, что с помощью многоматериального WAAM удалось изготовить сложную авиационную композитную форму массой почти 2 тонны и интегрировать каналы терморегулирования, структурную компенсацию и последующую чистовую обработку в полный производственный процесс.