Por que eles não constroem aviões com plástico da impressora 3D?

My assumption is that there are plastics lighter and stronger than the materials used to build planes.

Essa não é uma suposição correta.

Os plásticos típicos da impressora 3D têm uma resistência à tração da melhor das 45-50 MPa.
O alumínio 7075, uma liga aeroespacial comum, possui uma resistência à tração de 500-570 MPa.

Depois de dividir por gravidade específica, a proporção de força específica 1: 4-1: 5 é a favor do metal. Não há aplicação significativa em que os plásticos de impressora 3D, cujas propriedades sejam determinadas pela viscosidade, adesão e outras qualidades de impressão, ofereçam melhor resistência ao peso do que os metais aeroespaciais e os compósitos reforçados com fibra.

É provável que uma certa quantidade de plástico impresso no 3D apareça no interior da cabine, para peças de baixo volume ou peças escavadas complexas, não sujeitas a tensões significativas. Mas as peças de suporte de carga exigem alta resistência e alta relação resistência / peso. Se for muito pesado, não decolará e, se o material estiver muito fraco, não ficará em uma peça.

Portanto, a resposta breve é ​​que eles não constroem aviões com plástico da impressora 3D (argila, gesso ou palha) porque querem que eles voem.

Vamos levar ABS, que é um plástico extremamente comum usado para a impressão 3D. Em uma altitude típica de vôo, o a temperatura do ar exterior será da ordem de -51 ° C / -60 ° F. A temperatura nominal mais baixa para ABS é -20 ° C. Espero que você possa ver por que isso por si só pode ser um problema.

A Wikipedia também afirma que o ABS e o PLA, que é o outro grande plástico de impressão 3D, são danificados pela luz solar. Os aviões geralmente veem muita luz solar.

Além disso, em relação a "você pode pousar com segurança com vários pára-quedas em caso de falha do motor", dois pontos rápidos:

1. embora o plástico seja menos denso que o alumínio, não é como se o avião estivesse subitamente aquele muito mais leve
2. aviões são decentes em deslizar na situação improvável de todos os motores falhando

Mais informações sobre por que os pára-quedas não fazem sentido podem ser encontradas em Por que os grandes aviões comerciais não têm pára-quedas de aeronaves cheios?.

Caso você não saiba, a fuselagem do Boeing 787 é composta principalmente não de alumínio, mas de um polímero reforçado com fibra de carbono, que é um material à base de plástico. Portanto, há trabalho em andamento para garantir que os planos sejam feitos de materiais diferentes, mas não é particularmente simples ou direto.

Há algumas coisas acontecendo aqui.

Você supõe que os plásticos são mais fortes e mais leves que os metais e compósitos usados ​​hoje na fabricação de aeronaves. A resposta de Therac contesta essa suposição (spoiler: os plásticos são muito mais fracos e menos rígidos), mas há uma sutileza. Em muitas aplicações, os plásticos impressos 3D podem ser mais fortes ou mais rígidos com o mesmo peso, porque formas complexas (que não podem ser usinadas em metal) podem ser impressas com cavidade. É o mesmo tipo de vantagem que você obtém ao substituir uma viga sólida por uma viga I ou treliça, mas viável para escalas menores e geometrias mais complexas. Mas as partes estruturais de uma aeronave são tipicamente a pele, que é feita de folhas finas, e as nervuras e outros membros, que já são feitos com treliças, vigas em I e outras otimizações de geometria, por isso é mais difícil fazer essa diferença .

Mesmo que você não queira construir a estrutura ou os motores a partir de plástico (seja o 3D impresso ou fabricado por outra técnica), existem muitas peças de plástico nas aeronaves de hoje, e muitas delas são impressas com o 3D porque são mais baratas para o tamanho da execução da produção do que criar as ferramentas necessárias para moldá-las por injeção. A impressão 3D também é cada vez mais usada para peças de reposição ou modificações nos tipos de aeronaves em fim de vida útil, onde as peças originais são escassas ou caras. A longo prazo, existe o potencial de reduzir drasticamente a necessidade de distribuir peças de reposição para todos os locais em que sua aeronave está. No momento, se você administra uma companhia aérea e voa para algum aeroporto regional, é preciso reduzir o risco de uma aeronave ficar presa ali sem peças de reposição. vs o custo de manter um inventário de peças de reposição nesse site. Não se trata apenas de peças de reposição críticas para o voo: digamos que todos os assentos sanitários do seu avião quebram e você não tem peças sobressalentes no local, pode ser necessário cancelar os voos e deixar sua aeronave vazia para um "hub" onde você tem as peças de reposição, o que é muito caro.

Obter a certificação de peças impressas 3D (ou qualquer outro método de fabricação) é um processo longo, porque elas precisam ser seguras, reproduzíveis e rastreáveis. A impressora precisa garantir que todas as peças estejam dentro da tolerância e que seja rastreada até a remessa de plástico original da qual foi feita - para que a aeronave correta possa ser aterrada, no caso improvável de um lote ruim passar por ela. inspeção. Apenas certos materiais podem ser usados ​​para interiores, porque eles precisam ser testados para garantir que não liberem fumaça tóxica se houver fogo. Este teste não está no nível de "PEEK está bom", mas "esta marca específica de filamento PEEK, feita através deste processo específico nesta fábrica, está bem".

Apesar desse longo caminho para a certificação, os dois maiores OEMs de aeronaves estão hoje embarcando aeronaves com centenas de componentes impressos 3D.

Embora você mencione especificamente a impressão 3D com plásticos, a impressão 3D com metais é um campo crescente. Algumas empresas automotivas de luxo estão usando peças de motor de titânio impressas com 3D, porque podem imprimir estruturas que não são possíveis com a usinagem, para reduzir o peso. Embora essas técnicas sejam menos maduras - acertar as dimensões ainda é um desafio - a impressão em metal de peças não estruturais da aeronave já está começando a acontecer.

Como outras respostas mencionam, a resistência dos plásticos moldados ou impressos é uma ordem de magnitude inferior à dos metais aeroespaciais típicos. Mas também a rigidez é muito menor. Comparar Al 7075, qual A resposta de Therac menciona, com Termoplástico Ultem 9085 certificado pela Stratasys. O alumínio possui um módulo de elasticidade em torno do 70 GPa, enquanto o módulo de elasticidade do Ultem é o 2 – 2.6 GPa (dependendo de como é impresso).

Certa vez, tentamos construir um modelo de túnel de vento em uma impressora 3D. Parecia bom quando terminou. Mas quando foi submetido às cargas no túnel, ficou deformado horrivelmente. Os resultados foram inutilizáveis. Uma asa impressa no 3D, construída como uma asa convencional hoje, não apenas quebraria, mas antes disso, entortaria e torceria completamente fora de forma.

Outra fraqueza é a sensibilidade aos raios UV. Embora os metais possam suportar anos de intensa radiação solar incólume, as ligações nos polímeros sofrem a alta energia dos raios UV (o PVC é uma exceção, mas tem uma má reputação imerecida), portanto, qualquer superfície impressa no 3D decai ao ar livre. Os revestimentos de proteção são apenas de ajuda temporária e aumentam o peso.

Os plásticos usados ​​para aviões são muito parecidos com concreto armado, onde são necessárias alta resistência à compressão e à tração. O próprio composto plástico, poliéster, vinil éster, ou mais comumente resina epóxi, fornece a resistência à compressão e estabiliza o componente de fibra, como o concreto, e o componente de fibra, vidro ou carbono, fornece a maior parte da resistência à tração, mais ou menos como o vergalhão no concreto.

Como uma estrutura de concreto armado, o problema passa a ser como orientar ou orientar o componente de fibra, para que as fibras possam transportar continuamente as cargas de tração. Você pode ver imediatamente que um composto de resina por si só não funciona para uma parte de alta tensão; você precisa ter um elemento de suporte à tração incorporado na resina, e esse elemento deve ser mais ou menos contínuo ao longo do caminho da carga.

Segmentos de fibra aleatórios em uma matriz de resina, como a fibra de vidro cortada usada em barcos, não servem para algo como um feixe altamente estressado. As fibras precisam ser contínuas de ponta a ponta, mais ou menos como uma viga de concreto armado. Portanto, isso tende a descartar um processo em que uma impressora 3D pode depositar resina e fibras ao mesmo tempo.

É possível fabricar certas peças de aeronaves a partir de plástico impresso 3D, onde o plástico por si só está substituindo, por exemplo, uma carcaça de alumínio e a resina plástica é tão forte, tem a dureza necessária e pode suportar as temperaturas. Atualmente, essas peças provavelmente seriam feitas por moldagem por injeção, sendo a impressão 3D tão nova. Mas você certamente verá peças equivalentes a fundição com menor tensão começarem a emergir na aviação pela impressão 3D, especialmente para peças de baixo volume, nas quais o processo está apenas exigindo uma aplicação viável e um processo certificável. É uma indústria conservadora, então você precisa dedicar algum tempo.

O desafio agora é como fazer uma peça de matriz de resina que precise de alta resistência à tração, que possa de alguma forma ser impressa no 3D com os elementos de compressão e resistência à tração incorporados e orientada corretamente no processo de impressão 3D. Não tão fácil.

O que provavelmente acontecerá nos próximos anos da 10 é que alguém criará um novo composto plástico radical incorporando algo como grafeno nele, que possui todas as propriedades desejadas em todas as direções e pode ser usinado a partir de um bloco ou depositado e curado em um processo de impressão. Em seguida, teremos asa, hastes, molduras e capas impressas pela 3D.

Uma resposta curta é que existem Aviões impressos 3D no mundo do modelo RC.

No entanto, eles são mais pesados ​​e mais frágeis que os materiais tradicionais, portanto não são comuns. Eles são bons em produzir uma forma complexa com muitos detalhes sem ferramentas caras.

Se abandonássemos o "plástico", a resposta seria sim, a Boeing está usando a impressão 3D no 787 Dreamliner. No entanto, estes não são de plástico, mas de titânio. Um pouco mais forte que o plástico ABS comum. De https://aerospaceamerica.aiaa.org/departments/making-3d-printed-parts-for-boeing-787s/

33-centimeter-long titanium fittings that anchor the floor of the aft kitchen galley to the 787 airframe and bear structural stresses

isso também menciona que os bicos de combustível dos motores GEnx são impressos 3D fundindo pó de metal com lasers.

A aviação tem tudo a ver com ciência dos materiais

Essa é a única coisa que manteve Leonardo Da Vinci no chão. Ele estava no caminho certo; Se ele tivesse acesso a fibra de vidro-epóxi e um motor Lycoming, não teria dificuldade em construir um avião.

Mesmo no 1800, quando a tecnologia de madeira e vela estava surgindo, a metalurgia não era boa o suficiente para fazer um motor acender o suficiente. Stevenson estava mostrando a Watt que a metalurgia era boa o suficiente para construir motores a vapor pequenos, mais rápidos, com potência a cavalo, que podiam caber em uma sala em vez de em uma casa, mas "mais rápido" era uma palavra relativa.

O calcanhar de Aquiles da impressão 3-D é a força dos materiais. É por isso que não fabricamos cabeçotes ou dobradiças de impressão 3-D, e por isso não dominou o mundo.

A impressão 3-D simplesmente não pode acomodar materiais com resistência à aviação ...

Você poderia construir um avião, mas para ter força suficiente para voar, seria muito pesado para voar.