Lag for lag

Delene i jetmotorer skal modstå svimlende kræfter og temperaturer, og de skal være så lette som muligt for at spare på brændstoffet. Det betyder, at det er komplekst og dyrt at lave dem: Teknikere hos General Electric svejser så mange som 20 separate metalstykker sammen for at opnå en form, der effektivt blander brændstof og luft i en brændstofinjektor. Men for en ny motor, der kommer ud næste år, mener GE, at den har en bedre måde at lave brændstofinjektorer på: ved at udskrive dem.

For at gøre det sporer en laser formen af ​​injektorens tværsnit på et lag af kobolt-krompulver, og smelter pulveret til fast form for at opbygge injektoren et ultratyndt lag ad gangen. Dette lover at være billigere end traditionelle fremstillingsmetoder, og det burde føre til en lettere del - hvilket vil sige en bedre. De første dele vil gå ind i jetmotorer, siger Prabhjot Singh, der driver et laboratorium hos GE, der fokuserer på at forbedre og anvende denne og lignende 3-D printprocesser. Men, tilføjer han, der er ikke en dag, vi ikke hører fra en af ​​de andre divisioner hos GE, der er interesseret i at bruge denne teknologi.

Denne historie var en del af vores januar 2012-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Disse innovationer er på forkant med en radikal ændring i produktionsteknologi, der er særligt tiltalende i avancerede applikationer som rumfart og biler. 3-D printteknikkerne vil ikke kun gøre det mere effektivt at producere eksisterende dele. De vil også gøre det muligt at producere ting, der ikke engang var tænkelige før - som dele med komplekse, udstrakte former, der minimerer vægten uden at ofre styrke. I modsætning til bearbejdningsprocesser, som kan efterlade op til 90 procent af materialet på gulvet, efterlader 3D-print stort set intet spild - en stor overvejelse med dyre metaller som titanium. Teknologien kan også reducere behovet for at opbevare dele på lager, fordi det er lige så nemt at printe en anden del - eller en forbedret version af den - 10 år efter den første blev lavet. En bilproducent, der modtager rapporter om en fejl i en sikkerhedsselemekanisme, kan have en omkonfigureret version på vej til forhandlerne inden for få dage.

Additiv fremstilling, som 3-D-print også er kendt, opstod i midten af ​​1980'erne, efter Charles Hull opfandt det, han kaldte stereolitografi, hvor det øverste lag af en pulje af harpiks hærdes af en ultraviolet laser. Forskellige metoder til 3-D print er blevet populære blandt ingeniører, der ønsker at skabe prototyper af nye designs eller lave nogle få meget tilpassede dele: de kan lave en 3-D blueprint af en del i et computerstøttet designprogram og derefter få en printer for at spytte den ud timer senere. Denne proces undgår forudgående omkostninger, lange gennemløbstider og designbegrænsninger ved konventionelle højvolumen fremstillingsteknikker som sprøjtestøbning, støbning og stempling. Men teknologien er kun tilpasset til et begrænset sæt materialer, og der har været spørgsmål om kvalitetskontrol. Det har også været langsomt at bygge dele på denne måde - det kan tage en dag eller mere at gøre, hvad traditionel fremstilling kan opnå på få minutter eller timer. Af disse grunde er 3-D-print ikke blevet brugt til meget store serier af produktionsdele.

Men nu udvikler teknologien sig langt nok til produktionskørsler på nichemarkeder såsom medicinsk udstyr. Og det er klar til at bryde ind i flere større applikationer i løbet af de næste mange år. Vi er kommet til det punkt, hvor der sker tilstrækkeligt med kritiske fremskridt til at gøre teknologien virkelig nyttig til fremstilling af slutbrugsdele, siger Tim Gornet, der driver Rapid Prototyping Center ved University of Louisville.

Tryk på print : Dette foto viser en række metal jetmotorkomponenter trykt hos GE.

GØR INDTRÆK

Der kan bruges flere teknikker til at udskrive et fast objekt lag for lag. Ved sintring udsættes et tyndt lag af pulveriseret metal eller termoplast for en laser- eller elektronstråle, der smelter materialet sammen til et fast stof i udpegede områder; derefter lægges en ny belægning af pulver ovenpå, og processen gentages. Dele kan også bygges op med opvarmet plastik eller metal ekstruderet eller sprøjtet gennem en dyse, der bevæger sig for at skabe formen af ​​et lag, hvorefter et andet lag afsættes direkte på toppen, og så videre. I en anden 3-D printmetode bruges lim til at binde pulvere.

Luftfartsvirksomheder er på forkant med at adoptere teknologien, fordi fly ofte har brug for dele med komplekse geometrier for at imødekomme vanskelige luftstrøms- og kølekrav i fastklemte rum. Omkring 20.000 dele fremstillet ved lasersintring flyver allerede i militær- og kommercielle fly fremstillet af Boeing, herunder 32 forskellige komponenter til dets 787 Dreamliner-fly, ifølge Terry Wohlers, en produktionskonsulent, der har specialiseret sig i additive processer. Det er ikke varer, der skal masseproduceres; Boeing laver måske et par hundrede af dem hele året. De er heller ikke kritiske for flyvning; blandt dem er kunstfærdigt formede luftkanaler til køling, som tidligere skulle fremstilles i flere stykker. Nu kan vi optimere designet af disse dele til vægt, og vi sparer materiale og arbejdskraft, siger Mike Vander Wel, direktør for Boeings produktionsteknologistrategigruppe. I teorien er dette den ultimative fremstillingsmetode for os. Selvom hastighedsbegrænsningerne for 3-D-print kan forhindre, at den nogensinde producerer størstedelen af ​​Boeings dele, siger Vander Wel, at tilgangen sandsynligvis vil blive brugt i en voksende del af dem.

Boeings største rival, European Aeronautic Defence and Space Company (EADS), bruger teknologien til at lave titaniumdele i satellitter og håber at kunne bruge den til dele, den fremstiller i større volumen til Airbus-fly. Vi ved endnu ikke, hvad omfanget af vores brug af additiv-lagsfremstilling der vil være endnu, men vi ser ingen showstoppere, siger Jon Meyer, der leder forskning i 3-D-print ved EADS's Innovation Works-division i England.

Mindre skala : Her ses en mikroprinter, som GE bruger til at teste nye måder at bygge ting ud af keramiske materialer. Forskere bruger maskinen til at printe de transducere, der bruges som prober i ultralydsmaskiner; de mener, at det kan spare tid og penge og samtidig forbedre designet.

GE's jetmotordivision kan være tættere end nogen anden på at bringe 3-D-printede dele til kommerciel produktion i stor skala. Ud over brændstofinjektoren lasersintrer GE også titanium til komplekse former til fire fod lange strimler, der er limet på forkanten af ​​ventilatorbladene. Disse strimler afbøjer snavs og skaber en mere effektiv luftstrøm. Indtil nu har hver enkelt krævet snesevis af timers smedning og bearbejdning, hvor 50 procent af titaniumet gik tabt. Ved at skifte til 3-D-print vil virksomheden spare omkring $25.000 i arbejdskraft og materiale i hver motor, vurderer Todd Rockstroh, GE's rådgivende ingeniør, der leder indsatsen. Bladkanten og brændstofinjektoren vil begynde at dukke op i motorer allerede i 2013, og de vil blive integreret i fuldskalaproduktion i tusindvis af omkring 2016.

I mellemtiden, siger Rockstroh, håber virksomheden at opnå designfleksibilitet ved at bruge 3-D-print til flere dele. Da det for nylig opdagede, at en stilk i brændstofinjektoren var udsat for for høje niveauer af varmestress, kom en nydesignet version ud af printeren inden for en uge. Før skulle vi have redesignet 20 forskellige dele, med alt det tilhørende værktøj, siger Rockstroh. Det var måske ikke engang muligt. Og at bruge 3-D-print til at korrugere indersiden af ​​nogle dele kan reducere deres vægt med op til 70 procent, hvilket kan spare et flyselskab for millioner af liter brændstof hvert år. Denne udsigt har fået GE på udkig efter måder at udskrive alt fra gearkassehuse til kontrolmekanismer. Vi skal på en større vægtreducerende skurvogn næste år, siger Rockstroh.

Biler kunne på samme måde drage fordel af lettere dele, og University of Louisvilles Gornet bemærker, at udskrivningsprocesser kunne reducere vægten af ​​ventiler, stempler og brændstofinjektorer med mindst det halve. Nogle producenter af ultraluksus og højtydende biler, herunder Bentley og BMW, bruger allerede 3-D-print til dele med produktionskørsler i hundredvis.

Poleret : En transducer lavet i GEs mikroprinter (øverst) og den samme transducer efter at være blevet forfinet og færdiggjort i andre maskiner (nederst).

UDFORDRINGER AT OVERVINDE

Hvis det ikke var for teknologiens begrænsninger, ville 3-D-print allerede være meget mere udbredt. Hastigheden er uhyggeligt langsomme lige nu, siger GEs Singh. Todd Grimm, der leder et rådgivningsfirma for additiv fremstilling i Edgewood, Kentucky, vurderer, at den tid, det tager at producere en del, vil skulle forbedres så meget som hundrede gange, hvis 3-D-print skal konkurrere direkte med konventionelle fremstillingsteknikker i de fleste applikationer . Det sker ikke i de næste par år.

Et andet problem: Indtil videre kan kun en håndfuld plastik- og metalforbindelser bruges til 3-D-print. Ved lasersintring skal materialet for eksempel kunne danne et pulver, der smelter pænt, når det rammes med laser, og derefter størkner hurtigt. De forbindelser, der opfylder de nødvendige kriterier, kan koste 50 til 100 gange så meget i vægt som de råmaterialer, der bruges i konventionelle fremstillingsprocesser, blandt andet fordi de er i så lav efterspørgsel, at de kun er tilgængelige fra små specialleverandører.

Efterhånden som efterspørgslen stiger med nye applikationer, bør leverandørkonkurrencen dog trække priserne drastisk ned. Og listen over tilgængelige materialer udvides langsomt. GE forsøger at bruge keramik, hvilket vil åbne op for nye muligheder inden for blandt andet motorer og medicinsk udstyr.

Enkel oplevelse vil også gøre meget for at forbedre teknologien. Indtil videre har producenterne ikke nok data til at forudsige præcist, hvordan en del vil blive, og hvordan den vil holde, eller hvordan produktionsvariabler – inklusive temperatur, materialevalg, delform og afkølingstid – påvirker resultaterne. Det kan være frustrerende, siger Singh: 3D-print ender ofte med at blive en sort kunst. En del er lavet af tusindvis af lag, og hvert lag er en potentiel fejltilstand. Vi forstår stadig ikke, hvorfor en del kommer ud lidt anderledes på én maskine, end den gør på en anden, eller endda på den samme maskine på en anden dag. For eksempel har lagdelingsprocessen en tendens til at opbygge mellemlagsspændinger på uforudsigelige måder, så nogle dele ender med at blive forvrænget. Porøsiteten kan også variere inden for dele, hvilket fører til bekymringer om træthed eller skørhed. Det kan være et stort problem i flymotorer eller vingestivere. Vi ved, hvordan man gør metallerne stærke nok, siger Boeings Vander Wel. Men vi bekymrer os om uforudsigeligheden. Kan vi gentage et resultat for at få 100 dele, der er nøjagtigt ens? Vi er ikke sikre endnu.

Selv med disse udfordringer er tiden på siden af ​​3D-print, siger Vander Wel, og ikke kun fordi processerne bliver bedre. Ingeniører er forståeligt nok tilbageholdende med at omfavne en ny teknologi til kritiske dele, når deres deadlines og omdømme, for ikke at nævne livet for mennesker i fly, er på spil. Men yngre designere tilpasser sig hurtigere, siger han. De er ikke så hurtige til at sige: 'Det kan ikke bygges på denne måde.'

David H. Freedman, en videnskabsjournalist baseret i Boston, skrev om optogenetik i november/december 2010-udgaven af BØRN . Hans seneste bog er Forkert: Hvorfor eksperter bliver ved med at svigte os .

skjule