Warstwa po warstwie

Części silników odrzutowych muszą wytrzymywać oszałamiające siły i temperatury oraz muszą być jak najlżejsze, aby oszczędzać paliwo. Oznacza to, że ich wykonanie jest skomplikowane i kosztowne: technicy General Electric spawają razem aż 20 oddzielnych kawałków metalu, aby uzyskać kształt, który skutecznie miesza paliwo i powietrze we wtryskiwaczu paliwa. Ale w przypadku nowego silnika, który pojawi się w przyszłym roku, GE uważa, że ​​ma lepszy sposób na wytwarzanie wtryskiwaczy paliwa: poprzez ich wydrukowanie.

W tym celu laser śledzi kształt przekroju wtryskiwacza na złożu proszku kobaltowo-chromowego, stapiając proszek w stałą formę, aby nałożyć na wtryskiwacz jedną ultracienką warstwę na raz. To obiecuje być mniej kosztowne niż tradycyjne metody produkcji i powinno prowadzić do lżejszej części, czyli lepszej. Pierwsze części trafią do silników odrzutowych, mówi Prabhjot Singh, który prowadzi laboratorium w GE, które koncentruje się na ulepszaniu i stosowaniu tego i podobnych procesów drukowania 3D. Dodaje jednak, że nie ma dnia, w którym nie słyszelibyśmy od innych działów GE zainteresowanych wykorzystaniem tej technologii.

Ta historia była częścią naszego wydania ze stycznia 2012

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Te innowacje stoją na czele radykalnych zmian w technologii produkcji, która jest szczególnie atrakcyjna w zaawansowanych zastosowaniach, takich jak lotnictwo i samochody. Techniki druku 3D nie tylko sprawią, że produkcja istniejących części będzie bardziej wydajna. Umożliwią również produkcję rzeczy, których wcześniej nawet nie można było sobie wyobrazić — takich jak części o skomplikowanych, wyżłobionych kształtach, które minimalizują wagę bez poświęcania wytrzymałości. W przeciwieństwie do procesów obróbki, które mogą pozostawić do 90 procent materiału na podłodze, drukowanie 3D praktycznie nie pozostawia odpadów – co jest ogromnym problemem w przypadku drogich metali, takich jak tytan. Technologia może również zmniejszyć potrzebę przechowywania części w magazynie, ponieważ równie łatwo jest wydrukować inną część — lub jej ulepszoną wersję — 10 lat po wyprodukowaniu pierwszej. Producent samochodów otrzymujący zgłoszenia o awarii mechanizmu pasa bezpieczeństwa może w ciągu kilku dni dostarczyć zrekonfigurowaną wersję do dealerów.

Wytwarzanie przyrostowe, jak również znane jest drukowanie 3D, pojawiło się w połowie lat 80., po tym, jak Charles Hull wynalazł coś, co nazwał stereolitografią, w której górna warstwa żywicy jest utwardzana laserem ultrafioletowym. Różne metody drukowania 3D stały się popularne wśród inżynierów, którzy chcą tworzyć prototypy nowych projektów lub kilka wysoce niestandardowych części: mogą oni wykonać trójwymiarowy projekt części w programie do projektowania wspomaganego komputerowo, a następnie uzyskać drukarki wypluć go godzin później. Proces ten pozwala uniknąć kosztów początkowych, długich czasów realizacji i ograniczeń projektowych związanych z konwencjonalnymi technikami produkcji na dużą skalę, takimi jak formowanie wtryskowe, odlewanie i tłoczenie. Ale technologia została dostosowana tylko do ograniczonego zestawu materiałów i pojawiły się pytania dotyczące kontroli jakości. Budowanie części w ten sposób również przebiegało powoli — wykonanie tego, co tradycyjna produkcja może osiągnąć w ciągu kilku minut lub godzin, może zająć dzień lub więcej. Z tych powodów drukowanie 3D nie było stosowane w przypadku bardzo dużych serii części produkcyjnych.

Ale teraz technologia jest wystarczająco zaawansowana, aby umożliwić serie produkcyjne na rynkach niszowych, takich jak urządzenia medyczne. W ciągu najbliższych kilku lat może włamać się do kilku większych aplikacji. Doszliśmy do punktu, w którym dokonuje się wystarczająco dużo krytycznych postępów, aby technologia była naprawdę użyteczna w produkcji części do użytku końcowego, mówi Tim Gornet, który prowadzi Centrum Szybkiego Prototypowania na Uniwersytecie w Louisville.

Naciśnięcie druku : To zdjęcie przedstawia szereg metalowych elementów silnika odrzutowego wydrukowanych w GE.

WYKONYWANIE NAJAZDÓW

Do drukowania jednolitego obiektu warstwa po warstwie można zastosować kilka technik. Podczas spiekania cienka warstwa sproszkowanego metalu lub tworzywa termoplastycznego jest poddawana działaniu wiązki laserowej lub elektronowej, która stapia materiał w ciało stałe w wyznaczonych miejscach; następnie na wierzch nakładana jest nowa powłoka proszkowa i proces się powtarza. Części można również składać z podgrzanego plastiku lub metalu, wytłaczanego lub wyciskanego przez dyszę, która porusza się, tworząc kształt jednej warstwy, po czym następna warstwa jest nakładana bezpośrednio na wierzch i tak dalej. W innej metodzie druku 3D do wiązania proszków stosuje się klej.

Firmy z branży lotniczej przodują w stosowaniu tej technologii, ponieważ samoloty często potrzebują części o złożonej geometrii, aby sprostać trudnym wymaganiom dotyczącym przepływu powietrza i chłodzenia w zaciętych przedziałach. Według Terry'ego Wohlersa, konsultanta ds. produkcji, który specjalizuje się w procesach addytywnych, w samolotach wojskowych i komercyjnych firmy Boeing lata już około 20 000 części wykonanych metodą spiekania laserowego, w tym 32 różne komponenty do samolotów 787 Dreamliner. To nie są przedmioty, które muszą być produkowane masowo; Boeing może wyprodukować ich kilkaset przez cały rok. Nie mają też kluczowego znaczenia dla lotu; wśród nich są misternie ukształtowane kanały powietrzne potrzebne do chłodzenia, które wcześniej musiały być produkowane w wielu częściach. Teraz możemy zoptymalizować konstrukcję tych części pod kątem wagi, a także oszczędzamy materiał i robociznę, mówi Mike Vander Wel, dyrektor grupy strategicznej ds. technologii produkcji Boeinga. W teorii jest to dla nas najlepsza metoda produkcji. Chociaż ograniczenia prędkości druku 3D mogą uniemożliwić mu wyprodukowanie większości części Boeinga, mówi Vander Wel, podejście to prawdopodobnie będzie stosowane w coraz większej części z nich.

Główny rywal Boeinga, European Aeronautic Defence and Space Company (EADS), wykorzystuje tę technologię do wytwarzania części tytanowych w satelitach i ma nadzieję, że wykorzysta ją do produkcji części, które produkuje w większych ilościach do samolotów Airbus. Nie wiemy jeszcze, jaki będzie zakres naszego wykorzystania wytwarzania warstwowego, ale nie widzimy żadnych przeszkód, mówi Jon Meyer, który kieruje badaniami nad drukiem 3D w dziale Innovation Works firmy EADS w Anglia.

Mniejsza skala : Tutaj widać mikrodrukarkę, której GE używa do testowania nowych sposobów budowania rzeczy z materiałów ceramicznych. Naukowcy używają maszyny do drukowania przetworników używanych jako sondy w maszynach ultradźwiękowych; wierzą, że może to zaoszczędzić czas i pieniądze, jednocześnie ulepszając projekt.

Dział silników odrzutowych GE może być bliżej niż ktokolwiek inny wprowadzenia części drukowanych w 3D do komercyjnej produkcji na dużą skalę. Oprócz wtryskiwacza paliwa, GE spiekuje również laserowo tytan w skomplikowane kształty, tworząc paski o długości czterech stóp przyklejone do przedniej krawędzi łopatek wentylatora. Te paski odbijają zanieczyszczenia i zapewniają wydajniejszy przepływ powietrza. Do tej pory każdy z nich wymagał dziesiątek godzin kucia i obróbki skrawaniem, podczas których utracono 50 procent tytanu. Przechodząc na druk 3D, firma zaoszczędzi około 25 000 dolarów na pracy i materiałach w każdym silniku, szacuje Todd Rockstroh, inżynier konsultingowy GE, który kieruje tym przedsięwzięciem. Krawędź łopatki i wtryskiwacz paliwa zaczną pojawiać się w silnikach już w 2013 roku, a do około 2016 roku zostaną włączone do produkcji na pełną skalę w tysiącach.

Tymczasem, jak mówi Rockstroh, firma ma nadzieję na zwiększenie elastyczności projektowania poprzez wykorzystanie druku 3D dla większej liczby części. Kiedy niedawno odkryto, że trzpień wtryskiwacza paliwa został poddany nadmiernemu obciążeniu cieplnemu, przeprojektowana wersja wyszła z drukarki w ciągu tygodnia. Wcześniej musielibyśmy przeprojektować 20 różnych części wraz ze wszystkimi powiązanymi narzędziami, mówi Rockstroh. Mogłoby to nawet nie być możliwe. A użycie druku 3D do pofalowania wnętrza niektórych części może zmniejszyć ich wagę nawet o 70 procent, co może oszczędzić linii lotniczej miliony galonów paliwa każdego roku. Ta perspektywa sprawia, że ​​GE szuka sposobów na wydrukowanie wszystkiego, od obudów skrzyń biegów po mechanizmy sterujące. W przyszłym roku wybieramy się na duże polowanie na padlinożerców, które zmniejszają wagę, mówi Rockstroh.

Samochody mogą w podobny sposób skorzystać na lżejszych częściach, a Gornet z University of Louisville zauważa, że ​​procesy drukowania mogą obniżyć masę zaworów, tłoków i wtryskiwaczy paliwa o co najmniej połowę. Niektórzy producenci ultraluksusowych i wyczynowych samochodów, w tym Bentley i BMW, już stosują druk 3D w przypadku części, których cykle produkcyjne sięgają setek.

Błyszczący : Przetwornik wykonany w mikrodrukarce GE (góra) i ten sam przetwornik po dopracowaniu i wykończeniu w innych maszynach (na dole).

WYZWANIA DO PRZEZWYCIĘŻENIA

Gdyby nie ograniczenia technologii, druk 3D byłby już znacznie szerzej stosowany. Prędkości są teraz okropnie wolne, mówi Singh z GE. Todd Grimm, który kieruje firmą konsultingową zajmującą się produkcją addytywną w Edgewood w stanie Kentucky, szacuje, że czas potrzebny na wyprodukowanie części będzie musiał wzrosnąć nawet stokrotnie, jeśli druk 3D ma bezpośrednio konkurować z konwencjonalnymi technikami produkcyjnymi w większości zastosowań . To się nie stanie w ciągu najbliższych kilku lat.

Kolejny problem: na razie w druku 3D można użyć tylko garstki związków plastiku i metalu. Na przykład w przypadku spiekania laserowego materiał musi być w stanie utworzyć proszek, który po uderzeniu laserem dokładnie się topi, a następnie szybko zestala. Związki spełniające niezbędne kryteria mogą kosztować wagowo od 50 do 100 razy więcej niż surowce używane w konwencjonalnych procesach produkcyjnych, częściowo dlatego, że jest tak mało popytu, że są dostępne tylko u małych wyspecjalizowanych dostawców.

Jednak wraz ze wzrostem popytu wraz z nowymi aplikacjami konkurencja dostawców powinna drastycznie obniżyć ceny. A lista dostępnych materiałów powoli się wydłuża. GE stara się wykorzystywać ceramikę, która otwierałaby nowe możliwości m.in. w silnikach i urządzeniach medycznych.

Proste doświadczenie również w znacznym stopniu przyczyni się do ulepszenia technologii. Jak dotąd producenci nie mają wystarczających danych, aby dokładnie przewidzieć, jak część się ułoży i jak się utrzyma, ani jak zmienne produkcji — w tym temperatura, wybór materiału, kształt części i czas chłodzenia — wpływają na wyniki. To może być frustrujące, mówi Singh: Druk 3D często kończy się czarną sztuką. Część składa się z tysięcy warstw, a każda warstwa to potencjalna przyczyna awarii. Nadal nie rozumiemy, dlaczego część wygląda inaczej na jednej maszynie niż na innej, a nawet na tej samej maszynie innego dnia. Na przykład proces nakładania warstw ma tendencję do zwiększania naprężeń międzywarstwowych w nieprzewidywalny sposób, tak że niektóre części są zniekształcone. Porowatość może również różnić się w obrębie części, co prowadzi do obaw o zmęczenie lub kruchość. To może być duży problem w silnikach lotniczych lub rozpórkach skrzydeł. Wiemy, jak sprawić, by metale były wystarczająco mocne, mówi Vander Wel z Boeinga. Ale martwimy się nieprzewidywalnością. Czy możemy powtórzyć wynik, aby uzyskać 100 części, które są dokładnie takie same? Nie jesteśmy jeszcze pewni.

Nawet przy tych wyzwaniach czas jest po stronie druku 3D, mówi Vander Wel, i to nie tylko dlatego, że procesy się poprawiają. Inżynierowie, co zrozumiałe, niechętnie przyjmują nową technologię do krytycznych części, gdy zagrożone są ich terminy i reputacja, nie wspominając o życiu ludzi w samolotach. Ale młodsi projektanci szybciej się dostosowują, mówi. Nie tak szybko mówią: „Nie da się tego w ten sposób zbudować”.

David H. Freedman, dziennikarz naukowy z Bostonu, pisał o optogenetyce w listopadowo-grudniowym numerze 2010 DZIECI . Jego najnowsza książka to Źle: dlaczego eksperci wciąż nas zawodzą .

ukryć