Warum bauen sie keine Flugzeuge aus 3D-Druckerplastik?

Ich gehe davon aus, dass es Kunststoffe gibt, die leichter und stärker sind als die Materialien, aus denen Flugzeuge gebaut werden.

Das ist keine richtige Annahme.

Typische Kunststoffe für 3D-Drucker haben im besten Fall eine Zugfestigkeit von 45–50 MPa .
Aluminium 7075, eine gängige Legierung für die Luft- und Raumfahrt, hat eine Zugfestigkeit von 500–570 MPa .

Nach dem Teilen durch das spezifische Gewicht entspricht dies einem Verhältnis von 1:4-1:5 der spezifischen Stärke zugunsten von Metall. Es gibt keine bedeutende Anwendung, bei der Kunststoffe für 3D-Drucker, deren Eigenschaften von Viskosität, Haftung und anderen Druckqualitäten bestimmt werden, ein besseres Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht bieten würden als Metalle aus der Luft- und Raumfahrt und faserverstärkte Verbundwerkstoffe.

Eine gewisse Menge 3D-gedruckter Kunststoffe wird wahrscheinlich in Kabineninnenräumen für Teile mit geringem Volumen oder komplexen ausgehöhlten Teilen verwendet, die keinen nennenswerten Belastungen ausgesetzt sind. Aber tragende Teile erfordern eine hohe Festigkeit und ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht. Wenn es zu schwer ist, hebt es nicht ab, und wenn das Material zu schwach ist, hält es nicht in einem Stück.

Die kurze Antwort lautet also: Sie bauen keine Flugzeuge aus 3D-Druckerplastik (oder Lehm, Gips oder Stroh), weil sie wollen, dass sie fliegen.

Nehmen wir ABS , einen sehr verbreiteten Kunststoff, der für den 3D-Druck verwendet wird. Bei einer typischen Flughöhe liegt die Außenlufttemperatur in der Größenordnung von –51 °C/–60 °F . Die niedrigste Nenntemperatur für ABS beträgt -20 °C . Ich hoffe, Sie können sehen, warum dies allein ein Problem sein könnte.

Wikipedia sagt auch, dass ABS und PLA, der andere große Kunststoff für den 3D-Druck, durch Sonnenlicht beschädigt werden. Flugzeuge sehen im Allgemeinen viel Sonnenlicht.

Auch in Bezug auf "Sie können es bei einem Triebwerksausfall möglicherweise mit einer Reihe von Fallschirmen sicher landen", zwei schnelle Punkte:

1. Obwohl Kunststoff weniger dicht ist als Aluminium, ist das Flugzeug nicht plötzlich so viel leichter
2. Flugzeuge können in der unwahrscheinlichen Situation, dass alle Triebwerke ausfallen, anständig gleiten

Weitere Informationen darüber, warum Fallschirme keinen Sinn machen, finden Sie unter Warum haben große Verkehrsflugzeuge keine vollen Flugzeugfallschirme? .

Falls Sie es nicht wussten, der Rumpf der Boeing 787 besteht hauptsächlich nicht aus Aluminium, sondern aus einem kohlefaserverstärkten Polymer, einem Material auf Kunststoffbasis. Es wird also daran gearbeitet, Flugzeuge aus verschiedenen Materialien herzustellen, aber es ist nicht besonders einfach oder unkompliziert.

Hier ist einiges los.

Sie gehen davon aus, dass Kunststoffe stärker und leichter sind als die Metalle und Verbundwerkstoffe, die heute im Flugzeugbau verwendet werden. Theracs Antwort widerspricht dieser Annahme (Spoiler: Kunststoffe sind viel schwächer und weniger steif), aber es gibt eine Subtilität. In vielen Anwendungen können 3D-gedruckte Kunststoffe bei gleichem Gewicht stärker oder steifer gemacht werden, da komplexe Formen (die nicht aus Metall bearbeitet werden können) hohl gedruckt werden können. Es ist der gleiche Vorteil, den Sie erhalten, wenn Sie einen massiven Träger durch einen I-Träger oder Fachwerk ersetzen, aber für kleinere Maßstäbe und komplexere Geometrien geeignet. Aber die strukturellen Teile eines Flugzeugs sind typischerweise die Haut, die aus dünnen Blechen besteht, sowie die Rippen und andere Elemente, die bereits mit Fachwerkträgern, I-Trägern und anderen Geometrieoptimierungen hergestellt werden, sodass es schwieriger ist, diesen Unterschied auszugleichen .

Auch wenn Sie die Flugzeugzelle oder die Triebwerke nicht aus Kunststoff bauen möchten (ob 3D-gedruckt oder mit einer anderen Technik hergestellt), gibt es in heutigen Flugzeugen viele Kunststoffteile, und viele davon sind 3D-gedruckt, weil es für die Größe billiger ist des Produktionslaufs als die Erstellung der Werkzeuge, die für den Spritzguss erforderlich sind. Der 3D-Druck wird auch zunehmend für Ersatzteile oder Modifikationen für ausgediente Flugzeugtypen verwendet, bei denen Originalteile knapp oder teuer sind. Langfristig besteht das Potenzial, die Notwendigkeit der Verteilung von Ersatzteilen an alle Orte, an denen sich Ihre Flugzeuge befinden, drastisch zu reduzieren. Wenn Sie derzeit eine Fluggesellschaft leiten und einen Regionalflughafen anfliegen, müssen Sie das Risiko abwägen, dass ein Flugzeug dort gestrandet ist, dem ein Ersatzteil fehlt, vsdie Kosten für die Führung eines Ersatzteilbestands an diesem Standort. Dies sind nicht nur flugkritische Ersatzteile: Angenommen, alle Toilettensitze in Ihrem Flugzeug gehen kaputt, und Sie haben keine Ersatzteile vor Ort, müssen Sie möglicherweise Flüge stornieren und Ihr Flugzeug leer zu einem „Drehkreuz“ fliegen, wo Sie die Ersatzteile haben, was sehr teuer ist.

Die Zertifizierung von 3D-gedruckten Teilen (oder jeder anderen Herstellungsmethode) ist ein langwieriger Prozess, da sie sicher, reproduzierbar und rückverfolgbar sein müssen. Der Drucker muss garantieren, dass jedes Teil innerhalb der Toleranzen liegt, und jedes Teil muss bis zur ursprünglichen Kunststoffsendung zurückverfolgt werden können, aus der es hergestellt wurde – damit das richtige Flugzeug in dem unwahrscheinlichen Fall, dass eine schlechte Charge durchkommt, am Boden bleiben kann Inspektion. Für Innenräume dürfen nur bestimmte Materialien verwendet werden, da diese getestet werden müssen, um sicherzustellen, dass sie im Brandfall keinen giftigen Rauch freisetzen. Diese Tests sind nicht auf dem Niveau von „PEEK ist in Ordnung“, aber „diese spezielle Marke von PEEK-Filament, die nach diesem bestimmten Verfahren in dieser Fabrik hergestellt wird, ist in Ordnung“.

Trotz dieses langen Weges bis zur Zertifizierung liefern die beiden größten Flugzeughersteller heute Flugzeuge mit Hunderten von 3D-gedruckten Komponenten aus.

Obwohl Sie ausdrücklich den 3D-Druck mit Kunststoffen erwähnen, ist der 3D-Druck mit Metallen ein wachsendes Gebiet. Einige Boutique-Automobilunternehmen verwenden 3D-gedruckte Titan-Motorteile, weil sie Strukturen drucken können, die mit maschineller Bearbeitung nicht erreichbar sind, um das Gewicht zu reduzieren. Obwohl diese Techniken weniger ausgereift sind – die richtigen Abmessungen zu finden, ist immer noch eine Herausforderung – beginnt der Metalldruck von nicht strukturellen Flugzeugteilen bereits.

Wie in anderen Antworten erwähnt, ist die Festigkeit von geformten oder bedruckten Kunststoffen um eine Größenordnung geringer als die von typischen Luft- und Raumfahrtmetallen. Aber auch die Steifigkeit ist deutlich geringer. Vergleichen Sie Al 7075 , das in der Antwort von Therac erwähnt wird, mit dem zertifizierten Thermoplast Ultem 9085 von Stratasys . Das Aluminium hat einen Elastizitätsmodul von etwa 70 GPa, während der Elastizitätsmodul von Ultem 2–2,6 GPa beträgt (je nachdem, wie es gedruckt wird).

Wir haben einmal versucht, ein Windkanalmodell in einem 3D-Drucker zu bauen. Sah schön aus, als es fertig war. Aber als es den Belastungen im Tunnel ausgesetzt war, verformte es sich fürchterlich. Die Ergebnisse waren unbrauchbar. Ein 3D-gedruckter Flügel, der heute wie ein herkömmlicher Flügel konstruiert ist, würde nicht nur brechen, sondern sich vorher verziehen und völlig aus der Form drehen.

Eine weitere Schwäche ist die UV-Empfindlichkeit. Während Metalle jahrelang intensiver Sonneneinstrahlung unbeschadet standhalten, leiden die Bindungen in Polymeren unter der hohen Energie der UV-Strahlung (PVC ist eine Ausnahme, hat aber einen unverdienten schlechten Ruf), sodass jede 3D-gedruckte Oberfläche im Freien zerfällt. Schutzbeschichtungen helfen nur vorübergehend und erhöhen das Gewicht.

Die für Flugzeuge verwendeten Kunststoffe ähneln stark Stahlbeton, bei dem sowohl eine hohe Druck- als auch eine Zugfestigkeit erforderlich sind. Die Kunststoffverbindung selbst, Polyester, Vinylester oder am häufigsten Epoxidharz, sorgt für die Druckfestigkeit und stabilisiert die Faserkomponente, wie der Beton, und die Faserkomponente, entweder Glas oder Kohlenstoff, liefert mehr oder weniger die meiste Zugfestigkeit wie die Bewehrung in Beton.

Wie bei einer Stahlbetonstruktur besteht das Problem darin, die Faserkomponente so auszurichten oder auszurichten, dass die Fasern die Zuglasten kontinuierlich tragen können. Sie können sofort sehen, dass eine Harzmischung allein für ein stark beanspruchtes Teil nicht funktioniert; Sie müssen ein zugfestes tragendes Element in das Harz eingebettet haben, und dieses tragende Element sollte mehr oder weniger kontinuierlich entlang des Lastpfads sein.

Zufällige Fasersegmente in einer Harzmatrix, wie die in Booten verwendete gehackte Glasfaser, reichen für so etwas wie einen hochbelasteten Balken nicht aus. Die Fasern müssen wieder von Ende zu Ende durchgehend sein, ähnlich wie bei einem Stahlbetonträger. Dies schließt also tendenziell einen Prozess aus, bei dem ein 3D-Drucker Harz und Fasern gleichzeitig abscheiden könnte.

Es ist möglich, bestimmte Flugzeugteile aus 3D-gedrucktem Kunststoff herzustellen, bei denen der Kunststoff selbst beispielsweise einen Aluminiumguss ersetzt und das Kunststoffharz genauso stark ist, die erforderliche Härte hat und die Temperaturen aushält. Derzeit würden solche Teile höchstwahrscheinlich im Spritzgussverfahren hergestellt, da der 3D-Druck so neu ist. Aber Sie werden sicherlich sehen, dass in der Luftfahrt durch den 3D-Druck gussäquivalente Teile mit geringerer Spannung entstehen, insbesondere für Teile mit geringen Stückzahlen, bei denen der Prozess nur nach einer praktikablen Anwendung und einem zertifizierbaren Prozess schreit. Es ist eine konservative Branche, also muss man ihr Zeit geben.

Die Herausforderung für den Moment besteht darin, ein Harzmatrixteil herzustellen, das eine hohe Zugfestigkeit erfordert, das irgendwie 3D-gedruckt werden kann, wobei sowohl die Druck- als auch die Zugfestigkeitselemente integriert und im 3D-Druckprozess korrekt ausgerichtet werden. Nicht so einfach.

Was wahrscheinlich in den nächsten 10 Jahren passieren wird, ist, dass jemand eine radikal neue Kunststoffverbindung entwickelt, die so etwas wie Graphen enthält, das alle gewünschten Eigenschaften in alle Richtungen hat und aus einem Block herausgearbeitet oder in einem Druckverfahren aufgebracht und ausgehärtet werden kann . Dann haben wir 3D-gedruckte Flügelholme, Rahmen und Häute.

Eine kurze Antwort ist, dass es in der Welt der RC-Modelle 3D-gedruckte Flugzeuge gibt .

Sie sind jedoch schwerer und zerbrechlicher als herkömmliche Materialien, daher sind sie nicht üblich. Was sie gut können, ist die Herstellung einer komplexen Form mit vielen Details ohne teure Werkzeuge.

In der Luftfahrt dreht sich alles um Materialwissenschaften

Das ist das einzige, was Leonardo Da Vinci am Boden hielt. Er war auf dem richtigen Weg; Hätte er Zugang zu Fiberglas-Epoxidharz und einem Lycoming-Triebwerk, hätte er keine Probleme gehabt, ein Flugzeug zu bauen.

Selbst um 1800, als die Holz- und Segeltechnik aufkam, war die Metallurgie nicht gut genug, um einen Motor leicht genug zu machen. Stevenson zeigte Watt, dass die Metallurgie gut genug war, um kleinere, schnellere 20-PS-Dampfmaschinen zu bauen, die in einen Raum statt in ein Haus passen, aber „schneller“ war ein relatives Wort.

Die Achillesferse des 3D-Drucks ist die Materialstärke. Deshalb drucken wir keine Zylinderköpfe oder Scharniere in 3D, und deshalb hat es noch nicht die Welt erobert.

Der 3-D-Druck kann einfach keine luftfahrttauglichen Materialien aufnehmen ... Noch.

Man könnte ein Flugzeug bauen, aber um genug Kraft zum Fliegen zu haben, wäre es viel zu schwer zum Fliegen.

Wenn wir „Plastik“ weglassen würden, wäre die Antwort ja, Boeing setzt den 3D-Druck im 787 Dreamliner ein. Diese sind jedoch nicht aus Kunststoff, sondern aus Titan. Etwas stärker als Ihr gewöhnlicher ABS-Kunststoff. Von https://aerospaceamerica.aiaa.org/departments/making-3d-printed-parts-for-boeing-787s/

33 Zentimeter lange Titanbeschläge, die den Boden der hinteren Küchenküche an der 787-Flugzeugzelle verankern und strukturelle Belastungen tragen

Dies erwähnt auch die Kraftstoffdüsen der GEnx-Motoren, die durch Verschmelzen von Metallpulver mit Lasern in 3D gedruckt werden.