NASA и Федеральное управление гражданской авиации (FAA) опубликовали документ, в котором предлагается использовать компьютерные симуляции в качестве инструмента для сокращения времени и стоимости сертификации металлических компонентов, изготовленных с помощью 3D-печати для авиационной промышленности.
Этот 195-страничный отчет был разработан в течение пяти лет группой экспертов, известной как CM4QC, которая включала специалистов из компаний Boeing, Lockheed Martin, GE Aerospace, Honeywell, RTX, а также из Университета Карнеги-Меллон (CMU) и нескольких национальных лабораторий. Документ содержит подробный план интеграции вычислительного моделирования в процесс квалификации и сертификации металлических деталей, изготовленных методом 3D-печати, в коммерческой и оборонной авиации.
Этот вопрос важен, поскольку, несмотря на значительные инвестиции и реальный технический прогресс, технология 3D-печати металлов пока не оказала существенного влияния на производство сертифицированных авиационных деталей. Основная проблема заключается не в самой технологии печати. Проблема в том, что происходит после этого.
Переосмысление процесса сертификации авиационных деталей
В соответствии с действующими правилами, каждый новый металлический элемент, изготовленный методом 3D-печати, должен пройти тщательное физическое тестирование. Любое изменение сплава, модели принтера или геометрии детали может потребовать повторного тестирования.
Сертификация в области авиации разработана с учетом традиционного производства, где материалы ведут себя предсказуемо и однородно. 3D-печать металлов работает иначе. Поскольку лазер плавит и сплавляет тысячи слоев металлической порошки, температурная история варьируется в разных частях детали, что приводит к микроструктуре, которая может отличаться от места к месту.
Оценка и подтверждение безопасности этой изменчивости только с помощью физических испытаний – это медленный, дорогостоящий и неэффективный процесс, который плохо масштабируется.
Таким образом, в отчете предлагается использовать проверенные компьютерные модели для отслеживания физических процессов от лазерного луча до механических характеристик готового компонента, моделируя формирование микроструктуры, возникновение внутренних напряжений и поведение детали при длительной эксплуатации.
Эта концепция не является совершенно новой в области сертификации. Программное обеспечение для структурного анализа уже десятилетиями используется при сертификации самолетов. Цель здесь – применить ту же логику на уровне материалов, где сложность значительно выше.
Чтобы результаты моделирования были достаточно надежными для использования в регулирующих органах, в отчете представлен «Фреймворк оценки зрелости моделирования», – это структурированный метод, который позволяет инженерам и регулирующим органам оценить, насколько можно доверять конкретной модели, охватывающий все этапы, начиная от проверки кода и экспериментальной валидации, и заканчивая оценкой неопределенности.
Некоторые инструменты моделирования уже считаются достаточно зрелыми для промышленного использования, особенно те, которые предназначены для прогнозирования остаточных напряжений и термодинамического поведения. Например, CALPHAD – это вычислительный метод моделирования химического состава сплавов, который является примером такого инструмента. Другие, особенно те, которые позволяют предсказывать срок службы при усталости, все еще нуждаются в значительной доработке.
Если следовать предложенному плану, преимущества распространяются далеко за пределы аддитивного производства. Эта методология разработана для применения в любом производственном процессе, где сложность производства делает традиционную систему сертификации, основанную на множестве тестов, непрактичной, включая сварку методом объемного перемешивания и порошковую металлургию.
Сертификация полетов исключительно на основе симуляторов пока еще далека от реализации. Однако, сейчас в отрасли есть конкретный и детальный план, как этого достичь.
Симуляция становится все более важным инструментом в технологии аддитивного производства металлов
Получение необходимых данных для сертификации новой комбинации материала и процесса в настоящее время стоит более чем 1 миллиона долларов и занимает более 18 месяцев. Эта сумма сбрасывается при каждом изменении сплава, оборудования или геометрии. Для метода производства, как металлической 3D-печати, который характеризуется высокой степенью вариативности и настраиваемости, такие расчёты не имеют смысла.
Эти затраты побуждают все больше инженеров и программ к использованию моделирования как практичной альтернативы.
На конференции AMUG 2025, инженер по вычислительной гидродинамике из компании Flow Science, Гарретт Клайма, продемонстрировал, как моделирование расплавленной зоны позволяет предсказывать возникновение дефектов при 3D-печати из металла, еще до начала процесса. Используя программу FLOW-3D AM, его команда смоделировала различные профили лазерного луча, применяемые к печати из титанового сплава, и результаты оказались сопоставимы с результатами физических экспериментов и данными рентгеновского анализа с точностью до 10%.
Платформа предоставляет данные о градиентах температуры, скоростях охлаждения и скорости движения расплавленной зоны – те же переменные, которые влияют на формирование микроструктуры и, в конечном итоге, на механические свойства. Это именно тот тип моделирования на уровне процесса, который, согласно дорожной карте NASA/FAA, является необходимым фундаментом.
В других случаях, компания Honeywell, являющаяся одним из ключевых участников группы CM4QC, возглавляет проект STRATA, который получил поддержку правительства Великобритании в размере 14,1 миллиона фунтов стерлингов. Этот проект объединяет искусственный интеллект и физически-ориентированную симуляцию для разработки и сертификации 3D-печатных компонентов для авиационной промышленности.
Программа, объединяющая разработчика программного обеспечения для моделирования компании BeyondMath, специалиста по 3D-печати металлов компании 3T Additive Manufacturing и исследователей из Института термодинамики и гидравлики Оксфордского университета (OTI), направлена на ускорение процесса проектирования, снижение затрат и укрепление цепочки поставок в области аддитивного производства в Великобритании.
То, что один из ключевых участников группы управления проектом CM4QC реализует программу, основанную на реальных симуляциях, указывает на то, что дорожная карта и инвестиции отрасли направлены на достижение одного и того же результата.
