طباعة ثلاثية الأبعاد لمعدات هبوط الطائرات وإصلاح شفرات سبائك التيتانيوم

معدات هبوط الطائرات هي نوع من المكونات التي تخضع لقوى هائلة. من أجل التكيف مع البيئة ذات القوى العالية، يتم تشكيل هذه الأجزاء من الفولاذ عالي القوة. ومع ذلك، منذ ظهور سبائك التيتانيوم، تحولت معدات هبوط الطائرات تدريجيًا إلى تشكيل سبائك التيتانيوم، لأن سبائك التيتانيوم تتميز بالقوة العالية والكثافة المنخفضة، ويمكن أن تقلل كتلتها بأكثر من 25٪، وهو أمر مهم للغاية للطائرات. سبيكة التيتانيوم المستخدمة في معدات هبوط الطائرات هي Ti-10V-2Fe-3Al، مع قوة شد تبلغ 1190 ميجا باسكال، وهو ما يقرب من 2.2 مرة من سبيكة الألومنيوم 7075. يتم تشكيل العديد من أجزاء معدات هبوط طائرة بوينج B777 بها. لا تزال سبيكة Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr المستخدمة في معدات الهبوط تتمتع بقوة ومتانة عالية، ولكن سعرها مرتفع نسبيًا. بالإضافة إلى ذلك، تُستخدم سبيكة Ti-6Al-4V في الغالب لتشكيل أجزاء معدات هبوط المروحيات. إنه سبيكة التيتانيوم الأكثر استخدامًا في معدات الفضاء والطيران. يتميز بسعره المنخفض وقوته وأدائه المنخفض مقارنةً بسبائك التيتانيوم المذكورة أعلاه.

ظروف عمل شفرات محركات الطائرات قاسية للغاية. لا تقتصر هذه الظروف على درجات الحرارة المرتفعة فحسب، بل يجب أن تتحمل أيضًا ضغطًا عاليًا وتدفق هواء عالي السرعة. عند العمل في بيئة قاسية ذات "ثلاث درجات حرارة عالية"، تتعرض شفرات محركات الطائرات للتلف بسهولة، وخاصةً أطرافها، مما يزيد من عبء الصيانة. ووفقًا لتقرير نُشر على موقع Aviation Weekly الإلكتروني في 15 سبتمبر 2023، ولتقليل عبء الصيانة وإطالة وقت عمل الشفرات، تعاونت شركتا Optomec وAcme Robotics Systems الأمريكيتان لمدة عامين تقريبًا لتطوير وحدة عمل آلية لإصلاح شفرات ضاغط محركات الطائرات المصنوعة من سبائك التيتانيوم، وهي الأولى من نوعها في العالم. يهدف تصميم وتصنيع نظام الصيانة هذا بشكل أساسي إلى إصلاح أطراف شفرات ضاغط محركات الطائرات المصنوعة من سبائك التيتانيوم التي تآكلت أثناء استخدام المحرك، كما يُمكنه إصلاح تلف أطراف وحواف شفرات السبائك المصنوعة من النيكل. تتكون وحدة العمل الآلية من 3 محطات يمكنها إجراء طحن طرف الشفرة وتغليف الليزر بالطباعة ثلاثية الأبعاد والمعالجة اللاحقة، بما في ذلك محطة تحميل وتفريغ المنصات الآلية ومحطة قلب المنصات ونظام مناولة المواد الروبوتية، ويمكن أيضًا تجهيزها بوظائف أخرى، مثل آلات قياس الإحداثيات الآلية ومحطات التنظيف.

صرحت شركة OptoMec أنه بالمقارنة مع عمليات إصلاح شفرات سبائك التيتانيوم التقليدية مثل معالجة أدوات الآلات CNC ولحام غاز التنغستن الخامل (TIG)، فإن وحدة العمل الآلية تتميز بسلسلة من المزايا: سرعة إكمال تشطيب الشفرة أسرع بحوالي 3 إلى 4 مرات من تشطيب أدوات الآلات CNC أو التشطيب اليدوي؛ وبالمقارنة مع العمليات اليدوية، تكون جودة الإصلاح أكثر استقرارًا؛ وتنخفض التكلفة بأكثر من 70٪، ولا توجد حاجة للحام اليدوي والتشطيب اليدوي، مما يحسن جودة الإصلاح بشكل كبير. وأضافت OptoMec أن استخدام تقنية التشطيب الروبوتية الفعالة والقابلة للتكرار يمكن أن يحسن بشكل كبير من جودة عمل مراكز صيانة المحركات ويقلل تكاليف الصيانة. يمكن لنظام الروبوت الآلي إصلاح 85,000 شفرة ضاغط من سبائك التيتانيوم سنويًا، وقد حصل على اعتماد من هيئات تنظيم الطيران المدني في العديد من البلدان. ​​وقد أثبتت التطبيقات التجارية طويلة المدى أن النظام آمن وموثوق تمامًا. وفقًا لتقرير نشره موقع مجلة الطيران البريطانية في 17 سبتمبر/أيلول من هذا العام، أطلق المعهد البريطاني لتكنولوجيا الفضاء (ATI) مشروعًا بحثيًا وتطويريًا بعنوان "اختراق صناعة معدات الهبوط (الاختراق الأول)" باستثمار قدره 22.5 مليون جنيه إسترليني. ويشارك في المشروع، الذي تقوده شركة إيرباص، 15 شركة ومعهدًا بحثيًا وجامعة. وستكون هذه هي المرة الأولى في العالم التي تُطبع فيها أجزاء معدات هبوط الطائرات بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد.

يتكون مشروع 3-Break من أربع حزم عمل: WAAM3D مسؤولة عن تصنيع سرعة إنتاج الطباعة ثلاثية الأبعاد القوسية، والتحكم في البنية الدقيقة والخصائص الميكانيكية للتطبيقات الهيكلية عالية النزاهة، والاختبار غير المدمر عبر الإنترنت، وإنتاج أجزاء النموذج الأولي ذات الحجم والتعقيد المناسبين على نظام RoboWAAM المحدث؛ جامعة كرانفيلد مسؤولة بشكل أساسي عن البحث في عمليات وحلول WAAM الجديدة والتحقق من ترسب السبائك الرئيسية؛ جامعة ستراثكلايد مسؤولة بشكل أساسي عن تقنية الكشف عن العيوب المبتكرة عبر الإنترنت؛ PeakNDT هي شركة مصنعة للأجهزة بالموجات فوق الصوتية التقليدية والمصفوفة الطورية عالية الأداء، وهي مسؤولة أيضًا عن أبحاث تقنية الاختبار غير المدمر عبر الإنترنت.

يمكن أن يُسهم استخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد لقطع غيار معدات هبوط الطائرات في تقصير مدة طرح الطائرات في السوق، وتحسين جودة المنتج، وخفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بنسبة 20%. ومن المقرر اكتمال أعمال البحث والتطوير في هذا المشروع بحلول عام 2026. وستتحول عملية تصنيع قطع غيار معدات هبوط الطائرات حول العالم تدريجيًا من التشكيل إلى الطباعة ثلاثية الأبعاد.