چاپ سه بعدی در هوافضا: مواد، فرآیندها و طبقه بندی ها

تعدادی از مواد مختلف در کاربردهای صنعت هوافضا استفاده می شود. مواد متداول مورد استفاده در زیر فهرست شده و شرح داده شده است:

1. سرامیک

سرامیک ها مواد معدنی و غیر فلزی هستند. آنها به دلیل مقاومت در برابر خوردگی، وزن سبک و مقاومت در برابر سایش برای کاربردهای هوافضا عالی هستند. با این حال، سرامیک‌ها به‌طور استثنایی سخت و شکننده هستند و ساخت قطعات آن را دشوار می‌کند. کائولن و خاک رس چینی دو نمونه از سرامیک هایی هستند که می توانند برای ساخت قطعات به صورت سه بعدی پرینت شوند. از پرینت سه بعدی سرامیکی می توان برای ساخت آینه های ماهواره ای که از کاربید سیلیکون ساخته شده اند، با هدف کاهش وزن و بهبود نسبت سفتی به استحکام استفاده کرد.

2. فیبر کربن

الیاف کربن رشته های طولانی، فوق العاده نازک اما قوی از اتم های کربن هستند. کامپوزیت‌های فیبر کربن برای کاربردهای هوافضا ایده‌آل هستند، زیرا مانند فولاد قوی هستند اما سبک‌تر از آلومینیوم هستند. این به سازندگان اجازه می دهد تا عملکرد هواپیما را با ادغام قطعات فیبر کربن چاپ سه بعدی در چارچوب و ساختار هواپیما بهبود بخشند. با این حال، فیبر کربن گران است و تولید آن دشوار است، که کاربردهای بالقوه آن را در صنعت هوافضا محدود می کند.

مواد فیبر کربن به صورت فیلامنت پرینتر های سه بعدی FDM در بازار موجود میباشد.

3. شیشه

شیشه ماده ای بی شکل است که از خاموش شدن سریع مخلوط مذاب سیلیس و سایر مواد تشکیل می شود. شیشه ماده ای شفاف و شکننده است که از زمان های قدیم مورد استفاده قرار می گرفته است. در حالی که ممکن است اغلب با پنجره ها مرتبط باشد، شیشه های پرینت سه بعدی برای پنجره های هواپیما استفاده نمی شود. در عوض، رشته ها و پودرهای پر از شیشه اغلب برای تقویت پلاستیک و ساخت کامپوزیت های شیشه ای استفاده می شود که در کاهش وزن هواپیما مفید است.

4. فلز

فلزات به طور طبیعی مواد انعطاف پذیر و براق هستند که در مقایسه با مواد دیگر رسانای عالی گرما و الکتریسیته هستند. فلزاتی مانند آلومینیوم و تیتانیوم به دلیل مقاومت در برابر خوردگی و نسبت استحکام به وزن بالا به طور گسترده در هواپیما استفاده می شوند. فلزات پرینت سه بعدی در اجزای موتور، قاب ها، سازه ها و تجهیزات الکترونیکی استفاده می شوند. یکی از نکات منفی فلزات سنگین بودن آنهاست. فلز بیش از حد در هواپیما می تواند بر عملکرد هواپیما و بازده سوخت تأثیر منفی بگذارد.

شکل 1 نمونه ای از پروانه توربین چاپ شده سه بعدی است:

اعتبار تصویر: Shutterstock.com/Matveev Aleksandr
پروانه توربین پرینت سه بعدی

5. پلیمرها

پلیمرها موادی هستند که از زنجیره های تکرارشونده مولکول ها تشکیل شده اند. نمونه‌های رایج پلیمرها در هوافضا شامل ترموپلاستیک‌های مصنوعی مانند نایلون و ABS (اکریلونیتریل بوتادین استایرن) است. این مواد را می توان برای چاپ سه بعدی اجزای داخلی مانند پشتی صندلی و پانل های دیواری یا کانال های هوا استفاده کرد. به طور کلی، پلیمرها برای کاربردهای هوافضا عالی هستند زیرا سبک و بادوام هستند. با این حال، پلیمرها در مقایسه با فلزات ضعیف هستند و نمی‌توانند برای کاربردهای باربری بالا که اغلب فلز ترجیح داده می‌شود، استفاده شوند. معرفی خصوصیات انواع فیلامنت ها را ببینید.

6. Inconel®

Inconel® یک سوپر آلیاژ مبتنی بر نیکل کروم است که به دلیل استحکام آن در دماهای بالا و مقاومت عالی در برابر خزش و خوردگی ارزش دارد. در کاربردهای هوافضا پرینت سه بعدی، Inconel® اغلب در موتورهای توربین جت برای ساخت نازل سوخت استفاده می شود. نقطه ضعف اصلی Inconel این است که یک ماده گران قیمت است.

7. کامپوزیت ها

مواد کامپوزیتی از دو یا چند ماده تشکیل‌دهنده تشکیل شده‌اند که خواص آنها مکمل یکدیگر است. مواد کامپوزیت دارای مزایای ساختاری مانند استحکام بالا و وزن کم و همچنین افزایش مقاومت در برابر سایش هستند. مواد کامپوزیتی برای پرینت سه بعدی در هواپیما منجر به هواپیماهای سبک تر و ساختاری انعطاف پذیرتر می شود زیرا خواص مطلوب مواد مختلف با هم همکاری می کنند. نقطه ضعف مواد کامپوزیتی پرینت سه بعدی این است که زیست سازگار نیستند و می توانند گران باشند.