¿Por qué no construyen aviones con plástico de impresora 3D?

Mi suposición es que hay plásticos más livianos y resistentes que los materiales que se usan para construir aviones.

Esa no es una suposición correcta.

Los plásticos típicos de las impresoras 3D tienen una resistencia a la tracción en el mejor de los casos de 45-50 MPa .
El aluminio 7075, una aleación aeroespacial común, tiene una resistencia a la tracción de 500-570 MPa .

Después de dividir por la gravedad específica, está en una proporción de 1:4-1:5 de fuerza específica a favor del metal. No existe una aplicación significativa en la que los plásticos de impresoras 3D, cuyas propiedades dependen de la viscosidad, la adhesión y otras cualidades de impresión, ofrezcan una mejor relación peso-resistencia que los metales aeroespaciales y los compuestos reforzados con fibra.

Es probable que aparezca una cierta cantidad de plásticos impresos en 3D en los interiores de la cabina, para piezas de bajo volumen o piezas ahuecadas complejas, que no están sujetas a tensiones significativas. Pero las piezas de carga requieren una alta resistencia y una alta relación resistencia-peso. Si es demasiado pesado, no se despegará, y si el material es demasiado débil, no se mantendrá en una sola pieza.

Entonces, la respuesta breve es que no construyen aviones con plástico de impresora 3D (o arcilla, yeso o paja) porque quieren que vuelen.

Tomemos el ABS , que es un plástico extremadamente común utilizado para la impresión 3D. A una altitud de vuelo típica, la temperatura del aire exterior será del orden de -51 °C/-60 °F . La temperatura nominal más baja para el ABS es de -20 °C . Espero que pueda ver por qué esto solo podría ser un problema.

Wikipedia también dice que el ABS y el PLA, que es el otro plástico de impresión 3D importante, se dañan con la luz solar. Los aviones generalmente ven mucha luz solar.

Además, con respecto a "es posible que pueda aterrizarlo de manera segura con varios paracaídas en caso de que falle el motor", dos puntos rápidos:

1. aunque el plástico es menos denso que el aluminio, no es que el avión vaya a ser de repente mucho más ligero
2. los aviones son decentes para planear en la improbable situación de que todos los motores fallen

Puede encontrar más información acerca de por qué los paracaídas no tienen sentido en ¿ Por qué los grandes aviones comerciales no tienen paracaídas completos? .

En caso de que no lo supiera, el fuselaje del Boeing 787 no está hecho principalmente de aluminio, sino de un polímero reforzado con fibra de carbono, que es un material a base de plástico. Por lo tanto, se está trabajando para asegurarse de que los aviones estén hechos de diferentes materiales, pero no es particularmente simple o directo.

Están pasando algunas cosas aquí.

Supone que los plásticos son más fuertes y livianos que los metales y compuestos que se usan hoy en día para la fabricación de aeronaves. La respuesta de Therac contradice esta suposición (spoiler: los plásticos son mucho más débiles y menos rígidos), pero hay una sutileza. En muchas aplicaciones, los plásticos impresos en 3D se pueden hacer más fuertes o más rígidos con el mismo peso, porque las formas complejas (que no se pueden mecanizar a partir de metal) se pueden imprimir huecas. Es el mismo tipo de ventaja que obtiene al reemplazar una viga sólida con una viga en I o una armadura, pero factible para escalas más pequeñas y geometrías más complejas. Pero las partes estructurales de un avión suelen ser el revestimiento, que está hecho de láminas delgadas, y las nervaduras y otros miembros, que ya están hechos con vigas, vigas en I y otras optimizaciones geométricas, por lo que es más difícil compensar esa diferencia. .

Aunque no le gustaría construir el fuselaje o los motores con plástico (ya sea impreso en 3D o fabricado con otra técnica), hay muchas piezas de plástico en los aviones de pasajeros de hoy en día, y muchas de ellas están impresas en 3D porque es más barato para el tamaño. de ciclo de producción que crear las herramientas necesarias para moldearlos por inyección. La impresión 3D también se usa cada vez más para repuestos o modificaciones para tipos de aeronaves al final de su vida útil donde las piezas originales son escasas o costosas. A más largo plazo, existe la posibilidad de reducir drásticamente la necesidad de distribuir piezas de repuesto en todos los lugares donde se encuentra su aeronave. En este momento, si dirige una aerolínea y vuela a algún aeropuerto regional, tiene que compensar el riesgo de que un avión se quede varado allí sin alguna pieza de repuesto frente ael costo de mantener un inventario de repuestos en ese sitio. No se trata solo de repuestos críticos para el vuelo: digamos que todos los asientos del inodoro en su avión se rompen y no tiene repuestos en el lugar, es posible que deba cancelar vuelos y llevar su avión vacío a un "centro" donde tener los repuestos, lo cual es muy costoso.

Obtener la certificación de piezas impresas en 3D (o cualquier otro método de fabricación) es un proceso largo, porque deben ser seguras, reproducibles y trazables. El impresor debe garantizar que todas las piezas estén dentro de la tolerancia, y cada pieza debe poder rastrearse hasta el envío de plástico original con el que se fabricó, de modo que la aeronave correcta pueda conectarse a tierra, en el improbable caso de que un lote defectuoso llegue. inspección. Solo se pueden usar ciertos materiales para interiores, porque deben probarse para asegurarse de que no liberen humo tóxico si hay un incendio. Esta prueba no está al nivel de "PEEK está bien", pero "esta marca particular de filamento PEEK, hecha a través de este proceso particular en esta fábrica, está bien".

A pesar de este largo camino hacia la certificación, los dos fabricantes de equipos originales (OEM) de aeronaves más grandes están enviando aeronaves hoy con cientos de componentes impresos en 3D.

Aunque menciona específicamente la impresión 3D con plásticos, la impresión 3D con metales es un campo en crecimiento. Algunas empresas automotrices boutique están utilizando piezas de motor de titanio impresas en 3D, porque pueden imprimir estructuras que no se pueden lograr con el mecanizado, para reducir el peso. Si bien estas técnicas son menos maduras (conseguir las dimensiones correctas sigue siendo un desafío), la impresión en metal de piezas de aviones no estructurales ya está comenzando a suceder.

Como mencionan otras respuestas, la resistencia de los plásticos moldeados o impresos es un orden de magnitud menor que la de los metales aeroespaciales típicos. Pero también la rigidez es mucho menor. Compare Al 7075 , que menciona la respuesta de Therac , con el termoplástico Ultem 9085 certificado de Stratasys . El aluminio tiene un módulo elástico de alrededor de 70 GPa, mientras que el módulo elástico de Ultem es de 2 a 2,6 GPa (dependiendo de cómo se imprima).

Una vez intentamos construir un modelo de túnel de viento en una impresora 3D. Se veía bien cuando estuvo terminado. Pero cuando fue sometido a las cargas en el túnel, se deformó horriblemente. Los resultados fueron inutilizables. Un ala impresa en 3D construida como un ala convencional hoy en día no solo se rompería, sino que antes de hacerlo se deformaría y torcería completamente fuera de forma.

Otra debilidad es la sensibilidad UV. Si bien los metales pueden soportar años de intensa radiación solar sin sufrir daños, los enlaces en los polímeros sufren la alta energía de los rayos UV (el PVC es una excepción, pero tiene una mala reputación inmerecida), por lo que cualquier superficie impresa en 3D se deteriorará al aire libre. Los revestimientos protectores son solo de ayuda temporal y agregan peso.

Los plásticos utilizados para los aviones se parecen mucho al hormigón armado, donde se necesita una alta resistencia a la compresión y a la tracción. El compuesto plástico en sí mismo, poliéster, viniléster o, más comúnmente, resina epoxi, proporciona la resistencia a la compresión y estabiliza el componente de fibra, como el hormigón, y el componente de fibra, ya sea de vidrio o carbono, proporciona la mayor parte de la resistencia a la tracción, más o menos. como la barra de refuerzo en el hormigón.

Al igual que una estructura de hormigón armado, el problema se convierte en cómo u orientar el componente de fibra para que las fibras puedan soportar continuamente las cargas de tracción. Puede ver de inmediato que un compuesto de resina por sí solo no funcionará para una pieza de alta tensión; debe tener un elemento de soporte de carga de tracción incrustado en la resina, y este elemento de soporte de carga debe ser más o menos continuo a lo largo de la trayectoria de la carga.

Los segmentos de fibra al azar en una matriz de resina, como la fibra de vidrio cortada que se usa en los barcos, no servirán para algo como una viga altamente estresada. Las fibras tienen que ser continuas de un extremo a otro, de nuevo, como una viga de hormigón armado. Esto tiende a descartar un proceso en el que una impresora 3D pueda depositar resina y fibras al mismo tiempo.

Es posible hacer ciertas piezas de aeronaves a partir de plástico impreso en 3D donde el plástico en sí reemplaza, por ejemplo, una fundición de aluminio y la resina plástica es tan fuerte, tiene la dureza requerida y puede soportar las temperaturas. Actualmente, es muy probable que dichas piezas se fabriquen mediante moldeo por inyección, ya que la impresión 3D es muy nueva. Pero sin duda verá cómo comienzan a surgir en la aviación piezas equivalentes a fundición de bajo estrés mediante la impresión 3D, especialmente para piezas de bajo volumen donde el proceso está pidiendo a gritos una aplicación viable y un proceso certificable. Es una industria conservadora, por lo que hay que darle tiempo.

El desafío por ahora es cómo hacer una pieza de matriz de resina, que necesita una alta resistencia a la tracción, que de alguna manera se pueda imprimir en 3D con los elementos de compresión y resistencia a la tracción incorporados y orientados correctamente en el proceso de impresión 3D. No tan fácil.

Lo que probablemente sucederá en los próximos 10 años es que a alguien se le ocurrirá un nuevo compuesto plástico radical que incorpore algo como el grafeno que tenga todas las propiedades deseadas en todas las direcciones y se pueda mecanizar a partir de un bloque o depositar y curar en un proceso de impresión. . Entonces tendremos largueros de alas, marcos y revestimientos impresos en 3D.

Una respuesta corta es que hay aviones impresos en 3D en el mundo de los modelos RC.

Sin embargo, son más pesados ​​y frágiles que los materiales tradicionales, por lo que no son comunes. En lo que son buenos es en producir una forma compleja con muchos detalles sin herramientas costosas.

La aviación tiene que ver con la ciencia de los materiales.

Eso es lo único que mantuvo a Leonardo Da Vinci en el suelo. Estaba en el camino correcto; Si hubiera tenido acceso a fibra de vidrio-epoxi y un motor Lycoming, no habría tenido problemas para construir un avión.

Incluso en 1800, cuando la tecnología de la madera y las velas estaba surgiendo, la metalurgia no era lo suficientemente buena para hacer que un motor fuera lo suficientemente ligero. Stevenson le estaba mostrando a Watt que la metalurgia era lo suficientemente buena como para construir máquinas de vapor de 20 caballos de fuerza más pequeñas y rápidas que podían caber en una habitación en lugar de una casa, pero "más rápido" era una palabra relativa.

El talón de Aquiles de la impresión 3D es la resistencia de los materiales. Por eso no imprimimos cabezas de cilindros o bisagras en 3D, y por eso no se ha apoderado del mundo.

La impresión 3-D simplemente no puede acomodar materiales de fuerza aeronáutica... Todavía.

Podrías construir un avión, pero para tener la fuerza suficiente para volar, sería demasiado pesado para volar.

Si tuviéramos que dejar caer "plástico", la respuesta sería sí, Boeing está utilizando la impresión 3D en el 787 Dreamliner. Sin embargo, estos no son de plástico sino de titanio. Algo más fuerte que su plástico ABS común y corriente. De https://aerospaceamerica.aiaa.org/departments/making-3d-printed-parts-for-boeing-787s/

Accesorios de titanio de 33 centímetros de largo que anclan el piso de la cocina de popa a la estructura del avión 787 y soportan tensiones estructurales

esto también menciona que las boquillas de combustible de los motores GEnx están impresas en 3D mediante la fusión de polvo metálico con láser.