Technologia przyrostowa w lotnictwie

Korzyści z technologii przyrostowej

Korzystając z okazji, że członek Loteczki dr hab. inż. Włodzimierz Adamski z Mielca i Prezes Zarządu Stowarzyszenia ProCax wystąpi z prelekcją 11 kwietnia na III Seminarium Naukowym w Kielcach, pragnę poinformować i przypomnieć postać owego prelegenta i skrótowo podjęty przez niego tytułowy temat.

W klubie lotników Loteczka we Wrocławiu pamiętamy jego prelekcję na temat sposobu tworzenia konstrukcji lotniczych przy pomocy druku 3D jak również o tym co mówił o technologii przyrostowej i jak bardzo zainteresował Brać Lotniczą Dolnego Śląska swym wystąpieniem. Ponieważ na Seminarium Włodzimierz Adamski wygłosi prelekcję pt. „Technologie przyrostowe zwłaszcza stosowane w przemyśle lotniczym”, więc poniżej przedstawię interesujący z nim wywiad, w którym redaktor naczelny Portalu Przemysłowego Adam Sieroń przeprowadził z panem Włodzimierzem. Zachęcam do zapoznania się z wywiadem.

 Portal Przemysłowy   

Przemysł Lotniczy i kosmiczny

Technologia druku 3D w lotnictwie/04/2017

Adam Sieroń

O tym, jakie obecnie zastosowanie ma technologia przyrostowa w lotnictwie, jakie będą główne kierunki jej rozwoju w najbliższych latach oraz o tym, jak bardzo powszechny stanie się druk 3D w nieodległej już przyszłości rozmawiamy z dr. hab. inż. Włodzimierzem Adamskim, Prezesem Zarządu Stowarzyszenia ProCAx

Druk 3D ma coraz większe znaczenie w wielu branżach przemysłu, w tym również w lotnictwie. Jakie są tego powody?

Przyczyną, dla której technologia 3D, zwana także technologią przyrostową czyli Additive Manufacturing (AM), ma obecnie duże znaczenie w lotnictwie jest to, że produkcja części za jej pomocą jest bardzo opłacalna ekonomicznie, przede wszystkim w przypadku bardzo skomplikowanych kształtów i niewielkich ilości produkowanych elementów. Technologia przyrostowa, handlowo zwana drukiem 3D, daje w tego typu sytuacjach bardzo duże możliwości. I dlatego też w przemyśle lotniczym bardzo mocno się ona rozwija. Czołowi gracze, tacy jak Boeing i Airbus robią już bardzo dużo części z jej zastosowaniem. Warto jednak podkreślić, że w lotnictwie bardzo ważne jest bezpieczeństwo. W związku z tym jak dotąd produkowane są te części, które nie są częściami krytycznymi, czyli takie jak kanały, wsporniki itp.

Czy można powiedzieć, jaki procent samolotów jest w tej chwili produkowanych za pomocą technologii przyrostowej?

Jest to trudne do oszacowania. Mogę tylko powiedzieć, że ilościowo Boeing wyprodukował jak dotąd 200 różnych części do 10 typów samolotów, dla przykładu w Dreamlinerze są to 32 różne elementy. Jeżeli chodzi o Airbusa, to w ostatnim A350 mamy już ponad tysiąc części, które wykonane zostały w technologii przyrostowej. Tak więc im później produkowany jest samolot, to tym więcej posiada tego typu części. Jest to związane z wciąż trwającym procesem naukowo-badawczym, dzięki któremu uzyskujemy coraz więcej możliwości. Tym bardziej, że w lotnictwie najważniejsze jest bezpieczeństwo, w związku z czym ten proces jest znacznie wydłużony. W jego ramach powstały już nowe materiały lotnicze, takie jak Ultem 9085, który ma parametry zbliżone do stopu aluminium 2024. W tym sensie, że stosunek wytrzymałości do ciężaru jest prawie taki sam.

Czy te materiały są związane tylko i wyłącznie z technologią przyrostową, czy były już wykorzystywane w lotnictwie?

Jeżeli chodzi o tworzywo, które wymieniłem, to ono powstało dla technologii przyrostowej. W ogóle technologia przyrostowa spowodowała produkcję nowego typu materiałów – mam na myśli tytanowe i ze stali nierdzewnej – to są specjalne proszki, które są później laserowo spiekane. Jednocześnie produkcja części z tworzywa sztucznego bardzo się rozwinęła i są one obecnie już powszechnie dostępne. Na kolejnych targach, tak jak Dni Druku 3D w Kielcach, można zobaczyć bardzo dużo różnego rodzaju rozwiązań w tym kierunku.

Jakiego rodzaju części są w tej chwili w przemyśle lotniczym produkowane są za pomocą technologii przyrostowej?  Czy w kontekście bezpieczeństwa są to części raczej nie mające zastosowania mechanicznego?

Nie o to tutaj chodzi. Rzecz w tym, że w samolocie są tzw. części krytyczne. Taką częścią krytyczną jest np. podwozie, wspornik podwozia, który pracuje niezwykle intensywnie i przenosi bardzo duże obciążenia, a także różnego rodzaju wręgi. Ale są też części niekrytyczne, jak na przykład wsporniki, które podtrzymują instalację paliwową, hydrauliczną, sterowanie. To te elementy zaczyna się wykonywać w technologii przyrostowej. Jest tak dlatego, że w przypadku skorzystania z tej technologii z grubsza można powiedzieć, że przy tej samej wytrzymałości, otrzymujemy ciężar o połowę niższy. To w lotnictwie to jest bardzo istotne.

Następnie różnego typu instalacje, takie jak instalacja oblodzeniowa – są to często bardzo skomplikowane rury, wykonane ze stali nierdzewnej. Ich sposób wykonania jest bardzo trudny, więc technologia przyrostowa bardzo się przydaje. Wynika to z tego, że w technologii przyrostowej budujemy strukturę warstwa po warstwie. W związku z tym kształt nie ma, że tak powiem, większego znaczenia – im bardziej skomplikowany kształt, tym bardziej jego produkcja za pomocą druku 3D się opłaca. Oprócz tego w kabinie pasażerskiej jest wiele części, które można wykonywać w technologii przyrostowej. Tak więc jej rozwój rozwija się tej chwili w tych właśnie kierunkach. Przynajmniej jeżeli chodzi o lotnictwo cywilne.

Jak jest więc w przypadku lotnictwa wojskowego?

Jeżeli chodzi o samoloty, to jest mniej więcej jest podobnie, gdyż jest w nich pilot, któremu należy zapewnić bezpieczeństwo. Ale lotnictwo wojskowe to także drony. I w tym przypadku jest już bardzo duży udział technologii przyrostowej. Są nawet takie przypadki, w których niemal wszystkie części w dronach robione są właśnie w tej technologii.

W przypadku dronów bezpieczeństwo człowieka już nie jest istotne. Dlatego też w tym kierunku producenci poszli i już bardzo dużo elementów, a nawet całe drony, są wykonane w technologii przyrostowej.

Dlaczego ta technologia jest tak dobra? Jest ona efektywniejsza, tańsza?
Powiem tak. Dotąd stosowaliśmy technologię tzw. ubytkową, czyli obróbkę skrawaniem. W tym przypadku mamy bryłę materiału, i wyjmujemy z niego materiał niepotrzebny, i to, co zostaje, jest efektem naszych działań. Tworzymy jednak jednocześnie odpady. W technologii przyrostowej jest odwrotnie. Mamy materiał i ten materiał używamy do produkcji, nie tworząc odpadu. To jest raz. A dwa, że możemy niejednokrotnie wytwarzać bardzo skomplikowane części, które w technologii ubytkowej były niemożliwe do wykonania. Mam na myśli np. elementy bioniczne , ale także wsporniki ażurowe, które albo bardzo ciężko, albo wręcz w ogóle niemożliwe były do wykonania w technologii ubytkowej. Teraz można powiedzieć, że projektant, konstruktor nie jest ograniczony. Jak chce zrobić swój wyrób, tak może go zrobić. Oprócz tego można w technologii 3D zrobić gotowe złożenia, których nie będzie można zdemontować, ale będą pracować – w technologii ubytkowej tego już nie można zrobić.

Czy druk 3D może zastąpić normalną produkcję? W kontekście lotnictwa jest też pytanie o to, kiedy może powstać pierwszy samolot w technologii przyrostowej, o ile to jest w ogóle możliwe?

Już są takie plany. Przewiduje, że w technologii przyrostowej będzie się budowało samoloty, ale to wymaga sporo czasu i dużo badań. Ta technologia umożliwi to, że samoloty będą znacznie lżejsze. To jest bardzo duża zaleta.

Jest też kolejny plus, o którym nie wspomnieliśmy. Chodzi o części zamienne. Podam przykład z produkcji na potrzeby wojska: dziś żeby prowadzić działania wojenne, trzeba mieć odpowiedni magazyn części zamiennych. W przypadku druku 3D wystarczy mieć odpowiednie metalowe proszki, które są łatwo składowalne, kilka drukarek i praktycznie rzecz biorąc na poczekaniu za pomocą komputera i posiadanych modeli części zamiennych, można bardzo łatwo je wykonać, np. w warunkach wojennych. Jest to bardzo szybkie i zarazem bardzo łatwe. Oprócz tego prasa i media podawały, że gdy będziemy eksplorować kosmos nie będziemy zabierać ze sobą gotowych wyrobów, tylko będziemy brać drukarki, i za ich pomocą, na miejscu, korzystać z dostępnego materiału i wykonywać potrzebne nam obiekty, części itp. Dlatego ta technologia jest właśnie pod tym względem niezwykle interesująca.

Proszę zauważyć, że technologia ubytkowa, którą znamy, czyli obróbka skrawaniem, a także obrabiarki sterowane numerycznie w ciągu ostatnich stu lat, a szczególnie w ostatnich pięćdziesięciu lat, bardzo się zmieniła. Technologia przyrostowa rozwija się dopiero kilkanaście lat. W związku z powyższym za kolejne kilkanaście-kilkadziesiąt lat możliwości tej technologii będą znacznie większe.

Jakie są największe ograniczenia dla rozwoju tej technologii? Jakie są jej minusy?
Na obecnym etapie minusem jest dłuższy czas wykonywania niektórych części, gdyż są one nanoszone warstwa po warstwie. Ten problem będzie niwelowany, gdyż będą powstawać części hybrydowe. W tej chwili w lotnictwie już stosuje się taką metodę, że drukuje się część danego elementu, a potem się ją obrabia, żeby uzyskać większą dokładność.

Obecnie jako o wadzie można powiedzieć o kwestii masowej produkcji. Gdyby przyszło nam zrobić załóżmy 500.000 sztuk rocznie danego elementu, to inne technologie są na dzień dzisiejszy tańsze, i w związku z tym bardziej ekonomiczne. Ale jeżeli mamy zrobić coś w niewielkiej ilości, to technologia przyrostowa ma tutaj dużą przewagę, gdyż nie wymaga dodatkowego oprzyrządowania. Tym bardziej, że może być ona wykorzystywana do produkcji części tego oprzyrządowania, lub też – wracając do tematyki lotniczej – np. bardziej skomplikowanych pulpitów lotniczych. Już zaczyna się wykorzystywać tę technologię również w Polsce. Nasz przemysł lotniczy już wystartował i zaczyna prowadzić prace badawcze i produkcję w tym kierunku.

Właśnie miałem spytać, jak wygląda sytuacja na rynku polskim? Czym się różni?

W programie badawczym Narodowego Centrum Badań i Rozwoju INNOLOT uwzględnione są dofinansowania dla polskich firm prac badawczych, związanych z technologiami przyrostowymi. Już wykonuje się oprzyrządowanie do produkcji blach. Produkuje się także elementy kanałów wentylacyjnej kanalizacji do polskiego samolotu M28, który w Ameryce Południowej przechodzi obecnie oblot marketingowy. Oprócz tego to w Polsce wykonuje się kokpit z elementami bionicznymi, a w testach są robione wsporniki i części ażurowe. Ten program badawczy jest już w naszym kraju realizowany.

Jest więc szansa, że Polska znajdzie się wśród grona kilku specjalistów od technologii przyrostowej w skali Europy lub świata?

Powiem tak: były prezydent Obama w czasie swojej pierwszej kadencji wyczuł, że ta technologia ma przyszłość, i z funduszy przeznaczonych pierwotnie na inną działalność, przeznaczył 50 mln dol. na utworzenie instytutu badawczego technologii przyrostowej. Czyli amerykanie wyczuli potencjał, który ona za sobą niesie i jakie może przynieść korzyści dla gospodarki amerykańskiej. Więc – patrząc z naszej perspektywy – jeżeli Polacy w tym kierunku rozwoju technologii pójdą, to mogą osiągnąć sukces. Gdyż jest nisza rynkowa.

To wymaga odpowiedniego procesu badawczo-rozwojowego, żeby podnieść technologię przyrostową z poziomu gotowości technologicznej 6-7, do poziomu 9, gdyż taki przemysł interesuje. U nas często media pokazują jakieś opracowania naukowe, chwalą się, co Polacy nie zrobili, tylko zapominają o jednym. Że pokazują poziom gotowości technologicznej na przykład 5. A to jest za mało. Przemysł jest zainteresowany poziomem gotowości technologicznej 9. Wtedy cały proces jest przebadany, a technologia gotowa do uruchomienia produkcji seryjnej.

W nieodległej przyszłości tego właśnie należy się spodziewać?

Tak, z pewnością. Rzeczywiście powstały nowe możliwości. Podobnie dzieje się w dziedzinie, którą większość ludzi zna. Mieliśmy żarówki z drucikiem wolframowym, dzisiaj mamy żarówki LED-owe. I te wcześniejsze znikają już z rynku. Posiadają mniejszą moc, strumień świetlny 1.300 lumenów znajdował się dawniej w żarówce 100-watowej, a teraz jest w 15-watowej. Czyli rozwój nauki przygotował to, że w tym zakresie osiągnęliśmy właściwy poziom gotowości technologicznej. I w przypadku technologii przyrostowej będzie podobnie.

Jest ona nowa, rozwija się, wymaga wielu badań. Na pewno jednak na pewno za jakiś czas zobaczymy, że nie tylko będzie ona powszechnie stosowana w przemyśle, ale również sami będziemy ja stosować. Gdyż na posiadanie drukarki do tworzywa sztucznego stać będzie przeciętną, polską rodzinę. I jak nam się jakieś drobne części w AGD zepsują, to będziemy mogli sobie sami je wykonać i naprawić dane urządzenie. W tę stronę zmierza rozwój technologii przyrostowej. Bardzo interesujące jest obserwować ten proces. Koniec wywiadu.

            Warto przy okazji wspomnieć jakie ogromne znaczenie ma stosowanie druku 3D przy konstruowaniu samolotu. Obecnie konstruktorzy nie muszą korzystają z tablic kreślarskich, na których przy pomocy rysunku technicznego powstawały konstrukcje. Używa się komputerów i druku 3D. Jest to setki razy szybciej, a więc taniej.

Pamiętam ze swojej pracy w Mielcu, jak konstruowano samolot M-15 Belphegor. Przyjechało w latach 1970-tych ze Związku radzieckiego do Mielca około 80-ciu konstruktorów na czele z Izmajłowem - głównym konstruktorem. Dołączono do nich kilkaset mieleckich konstruktorów, gdzie na dużej nowo wybudowanej hali kreślili na deskach kreślarskich rysunki.

Można jedynie w innym temacie wspomnieć, że nic z tego samolotu nie wyszło, mimo tego, że sami sobie Sowieci naszym kosztem skonstruowali samolot, a następnie wycofali się z kupna, bo przestał być im potrzebny. Prawdopodobnie w głowach Izmaiłowa i blisko z nim spokrewnionym premierem Kosyginem powstał pomysł samolotu, który przy pomocy środków chemicznych, będzie niszczył masowo wkraczających na terytorium ZSRR Chińczyków, albowiem były to czasy wrogości Chin do ZSRR i odwrotnie. M-15 rzekomo dla celów rolnictwa miał silnik z napędem odrzutowym, stosowanym do latania z wyższą prędkością, wyżej i startowania z baz o wyższym standardzie technicznym niż w rolnictwie. Były to wady podstawowe dla celów rolnictwa, które zdecydowały że po ociepleniu stosunków z Chinami samolot M-15 Belphegor przestał być potrzebny. Nie sadzę, aby nadszedł czas otworzenia w Rosji archiwów i wykazania wszystkiego co się w tym kraju działo.

Teofil Lenartowicz

Wrocław, 5 kwietnia 2018