از روزی که صنعت هوافضا پا گرفته، همیشه دنبال این بوده که وزن هواپیماها رو به هر شکلی کم کنه. چاپ سه بعدی هم یکی از روشهای نسبتاً جدیدیه که حسابی توی این مسیر کمک کرده. قطعاتی که با چاپ سه بعدی ساخته میشن معمولاً سریعتر، سبکتر و ارزونتر از قطعاتی هستن که با روشهای سنتی تولید میشن. همین موضوع باعث شده استفاده از قطعات چاپ سه بعدی داخل کابین هواپیما و حتی بخشهای دیگه هواپیما حسابی زیاد بشه. فقط هم بحث هواپیما نیست؛ توی صنعت موشکی هم این تکنولوژی جا باز کرده و مثلاً اسپیساکس و ناسا الان کلی از قطعات موتور و نازلهای موشکهاشون رو با چاپ سه بعدی میسازن.
این مقاله میخواد درباره چاپ سه بعدی قطعات داخلی هواپیما صحبت کنه؛ اینکه هدفش چیه، چطور انجام میشه، چه مزایا و معایبی داره و چه نمونههایی از این قطعات وجود داره. با ما همراه باشید.
هدف چاپ سه بعدی قطعات داخلی هواپیما چیست؟
دلایل زیادی هست که باعث شده چاپ سه بعدی در صنعت هوافضا حسابی محبوب بشه. اصلیترین هدف چاپ سه بعدی قطعات داخلی هواپیما اینه که وزن کم بشه (که نتیجهاش مصرف سوخت کمتره)، هدررفت مواد پایین بیاد و امکان تولید سریع قطعات در تعداد کم تا متوسط فراهم بشه. از طرفی چاپ سه بعدی باعث میشه دیگه نیاز نباشه انبار بزرگی از قطعات آماده داشته باشن؛ چون هر قطعه رو میشه بهصورت یه فایل CAD ذخیره کرد و هر وقت لازم بود همون موقع چاپش کرد. یه مزیت دیگه هم اینه که با چاپ سه بعدی میشه یه قطعه رو یکپارچه ساخت و نیاز به مونتاژ چند تیکه کمتر بشه.
چاپ سه بعدی قطعات داخلی هواپیما چطور انجام میشود؟
چاپ سه بعدی قطعات داخلی هواپیما در اصل همون روندیه که هر قطعه چاپشدهی دیگه طی میکنه. چیزی که لازم داری یه فایل CAD و خود دستگاه پرینتر سه بعدی است. وقتی قطعه در نرمافزار طراحی سه بعدی کشیده شد، فایل رو با نرمافزار مخصوص «اسلایس» میکنن. این نرمافزار فایل رو تبدیل میکنه به مجموعهای از مسیرها یا همون G-code که هدِ پرینتر میتونه طبقشون حرکت کنه و لایهبهلایه قطعه رو بسازه. بعد فایل وارد پرینتر میشه و چاپ شروع میشه. بسته به نوع چاپ و قطعه، آخر کار ممکنه یه سری مراحل پسپردازش لازم باشه. معمولاً این مراحل شامل جدا کردن بخشهای پشتیبان (support) با استفاده از روشهای سایشی یا ابزارهای مشابهه. این روش بیشتر برای تولید سریهای کم و قطعاتی با هندسههای پیچیده کاربرد داره؛ جاهایی که ساخت قطعه با روشهای معمولی ممکنه هم گرون دربیاد و هم کلی زمان ببره.
مزایای چاپ سه بعدی در صنعت هوافضا چیست؟
مزیتهای چاپ سه بعدی در صنعت هوافضا ایناست:
- کاهش وزن قطعات
- کاهش مصرف سوخت (به خاطر همون کاهش وزن)
- کم شدن زمان تحویل و ساخت
- امکان استفاده راحت از طراحیهای «تولیدی–هوشمند» یا همون generative design
- کم شدن هدررفت مواد
- نمونهسازی سریع و راحت
معایب چاپ سه بعدی در صنعت هوافضا چیست؟
البته چاپ سه بعدی یهسری بدی هم داره:
- برای تولید گسترده و انبوه از نظر هزینه و زمان بهصرفه نیست.
- اندازهی قطعه به اندازهی تخت چاپ محدود میشه.
- محدودیت در جنس و نوع مواد (هرچند تنوع مواد داره بیشتر میشه).
- قطعات خاصیت «آنایزوتروپیک» دارن؛ یعنی مقاومتشون توی جهتهای XY بهخاطر لایههای چاپ کمتره.
- کیفیت قطعات میتونه خیلی متغیر باشه.
نمونههایی از کاربرد چاپ سه بعدی در قطعات داخلی هوافضا
بیشتر قطعات چاپ شده برای داخل هواپیما، ساختار باربر ندارن اما تعدادشون داره خیلی سریع زیاد میشه. چندتا نمونه از این قطعات چاپشده اینان:
- دریچهها
- کانالها و داکتها
- بافلها
- سیستمهای مدیریت کابل
- محفظههای الکتریکی
- کاور و پوششها
- قطعات تزئینی داخلی
- دستگیرهها و قفلهای در
- دستهی صندلیها
- پایهها و براکتهای نصب
برای نمونه میتونید مطلب تحول در صنعت هوافضا با چاپ سه بعدی Aero2 رو مطالعه کنید.
چه موادی برای چاپ سه بعدی قطعات داخلی هوافضا استفاده میشوند؟
برای چاپ سه بعدی قطعات داخل هواپیما میشه از مواد مختلفی استفاده کرد. در ادامه چندتا از رایجترین گروههای مواد رو میبینی:
۱. پلیمرها
پلیمرهای رایجی که برای چاپ سه بعدی قطعات استفاده میشن شامل PLA، ASA، ABS، PET و PC هستن. قطعات پلیمری چاپشده معمولاً از قطعات سنتی سبکترن، چون داخلشون تقریباً خالیه و فقط یه مقدار infill برای استحکام داخلی دارن.
این قطعات از روی فایل CAD و با استفاده از پرینتر سه بعدی ساخته میشن و برای چیزایی مثل کاورها، داکتها، فاصلهدهندهها، هدریک پردهها و جا لیوانیها استفاده میشن.
قطعات پلیمری چاپشده به اندازهی قطعات اصلی بادوامن، اما توی جهت Z که بار وارد میشه، استحکامشون کمتره چون لایهلایه ساخته میشن.
۲. فیبر کربن
فیبر کربن همیشه داخل یه مادهی دیگه چاپ میشه؛ معمولاً داخل نایلون یا یه پلیمر دیگه. فیبر کربن یا بهصورت چاپ پیوسته استفاده میشه یا بهصورت خردشده.
فیبر پیوسته با یه هد جداگانه داخل بخشهای مختلف قطعه قرار میگیره تا استحکام رو توی مسیر بار افزایش بده. فیبر خردشده (کمتر از ۱ میلیمتر) قبلاً داخل خود فیلامنت ترکیب شده و باعث میشه کل قطعه قویتر بشه.
از این مواد تقویتشده برای قطعاتی مثل پنل کلیدهای روشنایی، قطعات کنترل دمای کابین، و قفل درها استفاده میشه. قطعات تقویتشده با فیبر کربن خیلی بادوامن و حتی جای خیلی از قطعات آلومینیومی رو میگیرن. راهنمای کامل پرینت سه بعدی با فیبر کربن رو میتونید مطالعه کنید تا اطلاعاتتون تکمیل بشه.
۳. فلز
چاپ سه بعدی فلزی روندش با پلیمرها متفاوتتره. فلزها بهصورت پودر استفاده میشن و با کمک لیزر ذوب و لایهلایه روی هم جوش داده میشن؛ این روش همون SLS یا Selective Laser Sintering هست.
قطعات فلزی چاپ شده کمتر برای بخشهای داخلی هواپیما استفاده میشن، چون فلز معمولاً توی قسمتهای حساس و ساختاریه و تأییدیه گرفتنش سختتره.
اما با این حال، در موتور هواپیما برای چیزایی مثل محفظههای یاتاقان، نازلهای سوخت، حسگرهای دما و مبدلهای حرارتی چاپ سه بعدی فلزی بهکار میره.
۴. نایلون
نایلون از پلیمرهای قابلچاپه، اما با PLA و ABS فرق داره. نایلون انعطافپذیرتر و بادوامتره؛ هرچند به اندازهی PLA و ABS محکم و سفت نیست، اما مقاومت ضربهایش حدود ۱۰ برابر ABS هست.
نایلون هم مثل بقیه پلیمرها چاپ میشه، ولی معمولاً برای جبران ضعفش با فیبر کربن تقویت میشه.
مثلاً مادهی Onyx™ از شرکت Markforged که یه نایلون تقویتشده با فیبر کربن است، برای قسمتهایی مثل کنسولهای سرگرمی داخل پرواز، پنل کلیدها و فریم صندلیها استفاده شده.
۵. فیبر شیشه
فیبر شیشه هم مثل فیبر کربن برای تقویت داخل قطعات پلیمری استفاده میشه. این ماده بهصورت پیوسته یا خردشده وجود داره.
فیبر خردشده داخل فیلامنت ترکیب میشه و استحکام کلی قطعه رو بالا میبره. فیبر پیوسته هم برای مسیرهای بارگذاری خاص استفاده میشه تا قطعه اون نقطه رو بهتر تحمل کنه.
فیبر شیشه ارزونتر و ضعیفتر از فیبر کربن است، و برای جاهایی استفاده میشه که فیبر کربن بیش از حد قوی و غیرضروری باشه. نکتهی جالب اینه که فیبر شیشه، مثل فیبر کربن، عمر خستگی بیشتری نسبت به خیلی از قطعات فلزی داره که جایگزینشون میشه.
آینده ی چاپ سه بعدی قطعات داخلی در صنعت هوافضا چطور است؟
آیندهی استفاده از قطعات چاپ سه بعدی در داخل هواپیما واقعاً روشن است. الان کلی کاربرد برای چاپ سه بعدی پیدا شده، اما هنوز هم جا برای کاربردهای خیلی بیشتری وجود داره. دلیلش هم اینه که چاپ سه بعدی این امکان رو میده که قطعات خاص و پیچیده رو بدون نیاز به ابزارسازی تخصصی تولید کنیم.
از طرفی، تنوع موادی که میشه با چاپ سه بعدی استفاده کرد هم داره روزبهروز بیشتر میشه. الان صدها قطعهی چاپشده داخل کابین هواپیماها استفاده میشن و انتظار میره این روند رشد پیدا کنه؛ مخصوصاً وقتی پیشبینی شده بازار هوافضا و دفاعی آمریکا تا سال ۲۰۲۶ به ارزش ۵.۵۸ میلیارد دلار برسه.
🔥🔥🔥 ۸ آیندهی احتمالی پرینت سه بعدی رو حتماً مطالعه کنید چون خیلی مقاله جذابیه!!
سؤالات متداول
آیا اسپیساکس از پرینتر سه بعدی استفاده میکند؟
بله، اسپیساکس حسابی از چاپ سه بعدی در راکتهاش استفاده میکنه. این شرکت با پرینترهای سه بعدی قطعاتی مثل موتورهای موشک و نازلها رو تولید میکنه.
اسپیساکس محفظهی موتور SuperDraco رو با استفاده از فلز Inconel و روش DMLS (چاپ فلزی با لیزر مستقیم) چاپ کرده. همچنین بدنهی Main Oxidizer Valve (MOV) برای موتور Merlin 1D هم با چاپ سه بعدی ساخته شده. ساخت این قطعه فقط دو روز طول کشید؛ در حالی که روشهای سنتی ساختش تقریباً هفت ماه زمان میبرد. تازه برنامهی نگهداری و تعمیرات این قطعه هم کمتر شده.
آیا ناسا در فضا از پرینتر سه بعدی استفاده میکند؟
بله، ناسا هم در فضا از پرینتر سه بعدی استفاده کرده. در سال ۲۰۱۴، ناسا با استفاده از پرینتری که شرکت Made In Space ساخته بود، در ایستگاه فضایی بینالمللی یه قطعهی printhead faceplate چاپ کرد. این قطعه بعداً به زمین برگردونده شد تا روی اون آزمایش انجام بدن. نتیجهی بررسیها نشون داد هیچ تفاوتی بین قطعهی چاپشده در فضا و قطعهی مشابه چاپشده روی زمین وجود نداره.
این موضوع کلی راه جدید باز کرده، چون توی فضا میشه مواد رو بازیافت و دوباره استفاده کرد؛ در حالی که ارسال قطعات حیاتی به ایستگاه فضایی ممکنه هفتهها یا حتی ماهها طول بکشه.
آیا میشود غیر از قطعات داخلی، قطعات دیگر هواپیما را هم چاپ سه بعدی کرد؟
بله، قطعات چاپشدهی سه بعدی الان در بخشهای مختلف هواپیما استفاده میشن؛ از داخل کابین گرفته تا موتور، ساختار بدنه، سیستمهای الکتریکی و هیدرولیک، و حتی ابزارهای تخصصی. ابزارهای تخصصی یکی از قدیمیترین کاربردهای چاپ سه بعدی هستن چون نیاز به دریافت تأییدیههای سختگیرانه ندارن. این ابزارها شامل جیکها (jigs)، قالبهای تزریق، قالبهای ریختهگری و انواع آداپتور هستن.
هواپیماها همچنین از پایهها و براکتهای چاپشده، شیرها (valves)، محفظهها (housings) و کیسهای یاتاقان هم استفاده میکنن.
جمع بندی کلی
چاپ سه بعدی در صنعت هوافضا، مخصوصاً برای قطعات داخلی هواپیما، تبدیل شده به یکی از مهمترین ابزارهای ساخت و تولید. این تکنولوژی کمک کرده قطعات سبکتر، ارزونتر، سریعتر و با طراحیهای پیچیدهتر ساخته بشن؛ چیزهایی که با روشهای سنتی تولید یا خیلی سخت بودن یا خیلی زمانبر و گرون.
مواد مختلفی مثل پلیمرها، نایلون، فیبر کربن، فیبر شیشه و حتی فلز برای چاپ سه بعدی استفاده میشن و هرکدوم کاربرد خودشون رو دارن. خیلی از قطعات داخلی مثل دریچهها، داکتها، کاورها، براکتها و حتی بخشهایی از سیستمهای کنترل کابین با چاپ سه بعدی تولید میشن.
از طرف شرکتهای بزرگ مثل اسپیساکس و ناسا هم سنگتمام گذاشتن؛ اسپیساکس موتور و قطعات حساس رو با چاپ فلزی تولید میکنه و ناسا حتی در فضا هم چاپ سه بعدی انجام داده. این فناوری باعث شده نیاز به انبار قطعات کم بشه، قطعات سریعتر آماده بشن و تعمیر و نگهداری راحتتر انجام بشه.
در کل، با اینکه چاپ سه بعدی یهسری محدودیت مثل اندازهی تخت چاپ، جنس مواد و استحکام بعضی جهتها داره، اما آیندهاش خیلی درخشانه. هر سال کاربردهاش بیشتر میشن و با افزایش تنوع مواد، احتمالاً در آینده نهچندان دور بخش خیلی بیشتری از هواپیماها و موشکها با این روش ساخته میشن. این روند قراره هم در هزینهها صرفهجویی کنه و هم سرعت توسعه و نوآوری رو بالا ببره.
