Почему они не строят самолеты из пластика для 3D-принтеров?

Я предполагаю, что существуют пластмассы, которые легче и прочнее, чем материалы, из которых строят самолеты.

Это не верное предположение.

Типичный пластик для 3D-принтеров в лучшем случае имеет предел прочности на разрыв 45-50 МПа .
Алюминий 7075, распространенный аэрокосмический сплав, имеет предел прочности при растяжении 500-570 МПа .

После деления на удельный вес получается соотношение удельной прочности 1:4-1:5 в пользу металла. Не существует существенного приложения, в котором пластмассы для 3D-принтеров, свойства которых определяются вязкостью, адгезией и другими качествами печати, имели бы лучшее соотношение прочности к весу, чем аэрокосмические металлы и композиты, армированные волокном.

Некоторое количество напечатанного на 3D-принтере пластика, скорее всего, появится в интерьерах кабин, для деталей небольшого объема или сложных полых деталей, не подвергающихся значительным нагрузкам. Но несущие части требуют высокой прочности и высокого отношения прочности к весу. Если он слишком тяжелый, он не снимется, а если материал слишком слабый, он не останется целым.

Итак, краткий ответ: они не строят самолеты из пластика для 3D-принтеров (или из глины, гипса или соломы), потому что хотят, чтобы они летали.

Возьмем ABS , чрезвычайно распространенный пластик, используемый для 3D-печати. На типичной высоте полета температура наружного воздуха будет порядка -51°C/-60°F . Минимальная номинальная температура для ABS составляет -20°C . Надеюсь, вы понимаете, почему это само по себе может быть проблемой.

В Википедии также говорится, что ABS и PLA, другой основной пластик для 3D-печати, повреждаются солнечным светом. Самолеты обычно видят много солнечного света.

Кроме того, в отношении «вы можете безопасно приземлиться с несколькими парашютами в случае отказа двигателя», два быстрых момента:

1. хотя пластик менее плотный, чем алюминий, самолет не станет вдруг намного легче.
2. самолеты неплохо планируют в маловероятной ситуации отказа всех двигателей

Дополнительную информацию о том, почему парашюты не имеют смысла, можно найти на странице Почему в больших коммерческих самолетах нет полных парашютов? .

Если вы не знали, фюзеляж Boeing 787 в основном состоит не из алюминия, а из полимера, армированного углеродным волокном, который представляет собой материал на основе пластика. Итак, идет работа по созданию самолетов из различных материалов, но она не особенно проста или прямолинейна.

Здесь происходит несколько вещей.

Вы предполагаете, что пластмассы прочнее и легче, чем металлы и композиты, используемые сегодня для производства самолетов. Ответ Терака опровергает это предположение (спойлер: пластик намного слабее и менее жесткий), но есть одна тонкость. Во многих случаях пластик, напечатанный на 3D-принтере, можно сделать прочнее или жестче при том же весе, потому что сложные формы (которые нельзя вырезать из металла) можно печатать полыми. Это то же самое преимущество, которое вы получаете, заменяя сплошную балку двутавровой балкой или фермой, но применимую для меньших масштабов и более сложной геометрии. Но конструкционными частями самолета обычно являются обшивка, сделанная из тонких листов, а также нервюры и другие элементы, которые уже состоят из ферм, двутавровых балок и других оптимизаций геометрии, поэтому сложнее компенсировать эту разницу. .

Несмотря на то, что вы не хотели бы строить планер или двигатели из пластика (независимо от того, напечатаны ли они на 3D-принтере или изготовлены другим способом), в современных авиалайнерах много пластиковых деталей, и многие из них напечатаны на 3D-принтере, потому что это дешевле для такого размера. производственного цикла, чем создание инструментов, необходимых для их литья под давлением. 3D-печать также все чаще используется для запасных частей или модификаций для типов самолетов с истекшим сроком службы, где оригинальные детали дефицитны или дороги. В долгосрочной перспективе существует возможность значительно сократить потребность в распределении запасных частей по всем местам, где находится ваш самолет. Прямо сейчас, если вы управляете авиакомпанией и прилетаете в какой-нибудь региональный аэропорт, вам приходится искать компромисс между риском того, что самолет застрянет там без каких-либо запасных частей, истоимость хранения запасных частей на этом сайте. Это не просто важные для полета запасные части: скажем, все сиденья для унитаза в вашем самолете ломаются, а у вас нет запасных частей на месте, вам может потребоваться отменить рейсы и отправить свой самолет пустым в «хаб», где вы есть запчасти, а это очень дорого.

Сертификация 3D-печатных деталей (или любого другого метода производства) — длительный процесс, потому что они должны быть безопасными, воспроизводимыми и отслеживаемыми. Принтер должен гарантировать, что каждая деталь находится в пределах допуска, и каждую деталь необходимо проследить до исходной пластиковой партии, из которой она была изготовлена, чтобы можно было заземлить правильный самолет в маловероятном случае, если некачественная партия дойдет до конца. инспекция. Для внутренней отделки можно использовать только определенные материалы, потому что их необходимо протестировать, чтобы убедиться, что они не выделяют ядовитого дыма в случае пожара. Это тестирование не соответствует уровню «PEEK в порядке», но «эта конкретная марка нити PEEK, изготовленная с использованием этого конкретного процесса на этом заводе, в порядке».

Несмотря на долгий путь к сертификации, два крупнейших OEM-производителя самолетов сегодня поставляют самолеты с сотнями компонентов, напечатанных на 3D-принтере.

Хотя вы конкретно упоминаете 3D-печать пластиком, 3D-печать металлами — это растущая область. Некоторые небольшие автомобильные компании используют детали двигателя из титана, напечатанные на 3D-принтере, потому что они могут печатать конструкции, которые невозможно изготовить с помощью механической обработки, для снижения веса. Несмотря на то, что эти методы менее зрелые — получение правильных размеров по-прежнему является проблемой — металлическая печать неструктурных деталей самолетов уже начинает происходить.

Как упоминается в других ответах, прочность формованных или напечатанных пластиков на порядок ниже, чем у типичных аэрокосмических металлов. Но и жесткость намного ниже. Сравните Al 7075 , который упоминается в ответе Therac , с сертифицированным Stratasys термопластом Ultem 9085 . Алюминий имеет модуль упругости около 70 ГПа, а модуль упругости Ultem составляет 2–2,6 ГПа (в зависимости от того, как он напечатан).

Однажды мы пытались построить модель аэродинамической трубы на 3D-принтере. Выглядело красиво, когда он был закончен. Но когда он подвергся нагрузкам в туннеле, он ужасно деформировался. Результаты оказались непригодными. Крыло, напечатанное на 3D-принтере, построенное сегодня как обычное крыло, не только сломалось бы, но перед этим деформировалось бы и полностью потеряло форму.

Еще одним недостатком является чувствительность к ультрафиолету. В то время как металлы могут без вреда выдерживать годы интенсивного солнечного излучения, связи в полимерах страдают от высокой энергии УФ-лучей (ПВХ является исключением, но имеет незаслуженно плохую репутацию), поэтому любая поверхность, напечатанная на 3D-принтере, разрушится на открытом воздухе. Защитные покрытия лишь временно помогают и добавляют вес.

Пластмассы, используемые для самолетов, очень похожи на железобетон, где требуется высокая прочность на сжатие и растяжение. Сам пластиковый компаунд, полиэфир, винилэфир или, чаще всего, эпоксидная смола, обеспечивает прочность на сжатие и стабилизирует волокнистый компонент, такой как бетон, а волокнистый компонент, будь то стекло или углерод, обеспечивает большую часть прочности на растяжение, более или менее как арматура в бетоне.

Как и в случае с железобетонной конструкцией, проблема заключается в том, как расположить или сориентировать волокнистый компонент, чтобы волокна могли непрерывно выдерживать растягивающие нагрузки. Вы можете сразу увидеть, что компаунд на основе смолы сам по себе не подойдет для деталей, подвергающихся высоким нагрузкам; у вас должен быть элемент, несущий нагрузку на растяжение, встроенный в смолу, и этот элемент, несущий нагрузку, должен быть более или менее непрерывным вдоль пути нагрузки.

Случайные сегменты волокна в матрице из смолы, такие как рубленое стекловолокно, используемое в лодках, не подходят для чего-то вроде высоконагруженной балки. Волокна должны быть непрерывными от конца до конца, опять же, очень похоже на железобетонную балку. Таким образом, это, как правило, исключает процесс, при котором 3D-принтер может одновременно наносить смолу и волокна.

Некоторые детали самолетов можно изготавливать из 3D-печатного пластика, где пластик сам по себе заменяет, скажем, алюминиевое литье, а пластиковая смола такая же прочная, имеет необходимую твердость и выдерживает температуры. В настоящее время такие детали, скорее всего, будут изготавливаться методом литья под давлением, поскольку 3D-печать настолько нова. Но вы, безусловно, увидите, что детали, эквивалентные литью с меньшим напряжением, начнут появляться в авиации благодаря 3D-печати, особенно для деталей небольшого объема, где процесс просто требует жизнеспособного применения и сертифицируемого процесса. Это консервативная индустрия, так что вы должны дать ей время.

На данный момент задача состоит в том, как сделать деталь из полимерной матрицы, которая требует высокой прочности на растяжение, которую можно каким-то образом напечатать в 3D с включенными элементами как на сжатие, так и на растяжение, и правильно сориентировать в процессе 3D-печати. Не просто.

Что, вероятно, произойдет в ближайшие 10 лет, так это то, что кто-то придумает радикально новый пластиковый компаунд, включающий в себя что-то вроде графена , который обладает всеми желаемыми свойствами во всех направлениях и может быть изготовлен из блока или нанесен и отвержден в процессе печати. . Затем у нас будут 3D-печатные лонжероны, рамы и обшивка крыла.

Короткий ответ: в мире радиоуправляемых моделей есть самолеты, напечатанные на 3D-принтере .

Однако они тяжелее и более хрупкие, чем традиционные материалы, поэтому они не распространены. В чем они хороши, так это в создании сложной формы с большим количеством деталей без дорогостоящих инструментов.

Авиация - это все о материаловедении

Это единственное, что удерживало Леонардо да Винчи на земле. Он был на правильном пути; Если бы у него был доступ к эпоксидной смоле из стекловолокна и двигателю Lycoming, у него не было бы проблем с постройкой самолета.

Даже в 1800 году, когда появились технологии дерева и парусов, металлургия была недостаточно хороша, чтобы сделать двигатель достаточно легким. Стивенсон показывал Уатту, что металлургия достаточно хороша для создания меньших, более быстрых паровых двигателей мощностью 20 лошадиных сил, которые могли бы поместиться в комнате, а не в доме, но слово «быстрее» было относительным.

Ахиллесова пята 3D-печати — это прочность материалов. Вот почему мы не печатаем головки цилиндров или шарниры на 3D-принтере, и почему это не завоевывает мир.

3D-печать просто не может работать с авиационными прочными материалами... Пока.

Вы могли бы построить самолет, но чтобы иметь достаточно сил для полета, он был бы слишком тяжелым для полета.

Если бы мы отказались от «пластика», ответ был бы «да», Boeing использует 3D-печать в 787 Dreamliner. Но это не пластик, а титан. Несколько прочнее обычного АБС-пластика. Из https://aerospaceamerica.aiaa.org/departments/making-3d-printed-parts-for-boeing-787s/

Титановые фитинги длиной 33 сантиметра, которые крепят пол кормовой кухни к корпусу самолета 787 и выдерживают структурные напряжения.

здесь также упоминаются топливные форсунки двигателей GEnx, напечатанные на 3D-принтере путем сплавления металлического порошка с лазерами.