Liebherr | Primo componente idraulico primario di controllo del volo stampato in 3D su metallo

Sfida

Sostituzione di un componente idraulico convenzionale per il controllo di volo primario con un componente fabbricato in modo additivo, che soddisfa tutti i requisiti di certificazione per il volo.

In un contesto di crescente consapevolezza ecologica, aumento dei prezzi dei carburanti e mancanza di fonti energetiche alternative, l'industria aerospaziale deve trovare nuove tecnologie per rimanere competitiva. La stampa 3D industriale a letto di polvere ha il potenziale per apportare un cambiamento fondamentale e facilitare la produzione di componenti innovativi. Liebherr ha lanciato il suo programma di produzione additiva già sei anni fa. Ora ha dimostrato che la tecnologia di stampa 3D in metallo EOS è applicabile ai collettori idraulici degli aerei. Insieme ad Airbus e a un gruppo di ricerca della Chemnitz University of Technology, Liebherr ha avviato un progetto finanziato dal Ministero Federale per gli Affari Economici e l'Energia (BMWi).

L'obiettivo era quello di sostituire un componente di volo primario convenzionale, un blocco di valvole idrauliche ad alta pressione, con uno fabbricato in modo additivo. 

A bordo di un aereo, molti componenti lavorano insieme per garantire un volo sicuro. Un attuatore per spoiler sposta lo spoiler nella posizione desiderata per ridurre la portanza dell'aereo. Questi tipi di componenti primari per il controllo del volo richiedono i più alti standard di qualità e precisione durante la produzione. Convenzionalmente, la produzione di blocchi valvola parte da materiale grezzo forgiato, che viene poi lavorato, rifilato, forato e infine assemblato. Questa catena di processi è lunga e complessa e lascia poco spazio all'ottimizzazione. Tuttavia, l'enorme numero di fasi del processo illustra lo spazio per i possibili miglioramenti che possono essere ottenuti con la stampa 3D in metallo. Chiaramente, la sostituzione da sola non è sufficiente; il nuovo pezzo deve essere più leggero, efficiente dal punto di vista delle risorse ed ecologico per dimostrare la fattibilità della produzione additiva come promettente tecnologia del futuro.

Soluzione

Produzione di un componente leggero stampato in 3D con un numero ridotto di parti e una catena di processo efficiente

La soluzione è stata quella di sviluppare una catena di progettazione e di processo da implementare nell'industria aeronautica utilizzando la tecnologia di stampa 3D industriale affidabile e di alta qualità di EOS. In primo luogo, è stata analizzata la parte convenzionale. Sono state identificate le strutture idrauliche e sono state eliminate le sezioni ausiliarie. Il posizionamento dei componenti principali è stato riconsiderato alla luce dello spazio di installazione e dei requisiti di interfaccia, con l'obiettivo di ottimizzare linee di connessione intelligenti e brevi. Questo ha gettato le basi per la progettazione del nuovo pezzo. "Con la stampa 3D industriale, la complessità non è più un problema. Sul sistemaEOS M 290 , i componenti sono costruiti da un gran numero di strati sottili, ciascuno di 30-60 μm di spessore, il che ci permette di costruire geometrie complesse", spiega Alexander Altmann, Lead Engineer Additive Manufacturing, Research & Technology di Liebherr-Aerospace Lindenberg GmbH. "Gli elementi funzionali sono stati collegati direttamente l'uno all'altro utilizzando tubi curvi. Questo evita la necessità di un complesso sistema di tubi con molti fori trasversali, con conseguente risparmio di tempo nella produzione". 

Il materiale scelto, una lega di titanio, è particolarmente adatto per l'aviazione in quanto offre una serie di vantaggi. Permette di ridurre il peso e di ridurre i costi di esercizio, poiché è molto leggero, meccanicamente stabile e ha un'ottima resistenza alla corrosione. Le fasi di post-lavorazione comprendono, ad esempio, un trattamento termico per ridurre le tensioni e un trattamento speciale per i canali idraulici. 

Infine, "non deve esserci nemmeno il minimo dubbio sull'affidabilità e la sicurezza dei componenti e del materiale con cui sono realizzati. Con la tecnologia EOS, siamo in grado di produrre in modo affidabile componenti in titanio della massima qualità, un requisito fondamentale per la successiva fase di produzione in serie", spiega Alexander Altmann.

Risultati

Il nuovo blocco valvole prodotto in modo additivo offre le stesse prestazioni di quello convenzionale, ma è più leggero del 35% e composto da un numero inferiore di parti. È stato possibile integrare 10 elementi funzionali nel nuovo blocco valvole, eliminando il complesso sistema di tubazioni con molti fori trasversali.

"Questa potrebbe essere la parola d'ordine della produzione additiva - fare le stesse cose ma con meno massa e meno parti - tuttavia questo è un passo significativo per noi di Liebherr-Aerospace", afferma Altmann. La nuova parte stampata in 3D è stata sperimentata con successo in un volo di prova dell'aereo A380. 

La stampa 3D industriale è meno complessa ed estremamente efficiente dal punto di vista dei materiali rispetto al processo di fresatura tradizionale e contribuisce a ridurre al minimo gli scarti di titanio. "Oggi la produzione di un blocco valvola richiede circa un giorno e con EOS M 400-4 vediamo il potenziale per ridurre i tempi di costruzione di oltre il 75%", afferma Alexander Altmann.

Ma non è tutto: il leggero blocco valvole stampato in 3D e le future parti stampate in 3D contribuiranno anche a ridurre il consumo di carburante e le emissioni di CO2 e NOX. I requisiti richiesti ai componenti degli aeromobili sono estremamente elevati, ed è per questo che Liebherr si concentra sulla comprensione dei metodi di produzione additiva fin nei minimi dettagli, al fine di stabilire processi di produzione assolutamente affidabili. Con EOS, Liebherr ha un fornitore di tecnologia e un partner che facilita il controllo della qualità durante il processo di produzione additiva. Partecipando a una fase pilota, Liebherr ha potuto contribuire allo sviluppo di EOSTATE Exposure OT , un nuovo modulo della suite di monitoraggio EOS che consente l'ispezione dei componenti in tempo reale. 

"In futuro, questo accelererà l'identificazione dei difetti del materiale durante il processo di stampa 3D industriale e contribuirà a ridurre la necessità di processi di garanzia della qualità a valle, come la tomografia computerizzata", afferma Alexander Altmann.