Laag voor laag

De onderdelen in straalmotoren moeten bestand zijn tegen duizelingwekkende krachten en temperaturen, en ze moeten zo licht mogelijk zijn om brandstof te besparen. Dat betekent dat het complex en kostbaar is om ze te maken: technici van General Electric lassen maar liefst 20 afzonderlijke stukken metaal aan elkaar om een ​​vorm te krijgen die brandstof en lucht efficiënt mengt in een brandstofinjector. Maar voor een nieuwe motor die volgend jaar uitkomt, denkt GE dat het een betere manier heeft om brandstofinjectoren te maken: door ze te printen.

Om dit te doen, traceert een laser de vorm van de doorsnede van de injector op een bed van kobaltchroompoeder, waarbij het poeder in vaste vorm wordt gesmolten om de injector ultradunne laag per keer op te bouwen. Dit belooft minder duur te zijn dan traditionele productiemethoden, en het zou moeten leiden tot een lichter onderdeel, dat wil zeggen een beter onderdeel. De eerste onderdelen gaan naar straalmotoren, zegt Prabhjot Singh, die bij GE een laboratorium runt dat zich richt op het verbeteren en toepassen van dit en soortgelijke 3D-printprocessen. Maar, voegt hij eraan toe, er is geen dag dat we niets horen van een van de andere divisies bij GE die geïnteresseerd zijn in het gebruik van deze technologie.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van januari 2012

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

Deze innovaties vormen de voorhoede van een radicale verandering in productietechnologie die vooral aantrekkelijk is in geavanceerde toepassingen zoals ruimtevaart en auto's. De 3D-printtechnieken zullen het niet alleen efficiënter maken om bestaande onderdelen te produceren. Ze zullen het ook mogelijk maken om dingen te produceren die voorheen niet eens denkbaar waren, zoals onderdelen met complexe, uitgeholde vormen die het gewicht minimaliseren zonder in te boeten aan kracht. In tegenstelling tot bewerkingsprocessen, die tot 90 procent van het materiaal op de vloer kunnen achterlaten, laat 3D-printen vrijwel geen afval achter - een enorme overweging bij dure metalen zoals titanium. De technologie kan ook de noodzaak verminderen om onderdelen in voorraad op te slaan, omdat het net zo gemakkelijk is om een ​​ander onderdeel, of een verbeterde versie ervan, 10 jaar nadat het eerste is gemaakt, af te drukken. Een autofabrikant die meldingen ontvangt van een storing in een veiligheidsgordelmechanisme, kan binnen enkele dagen een opnieuw geconfigureerde versie op weg hebben naar de dealers.

Additive manufacturing, zoals 3D-printen ook wel wordt genoemd, ontstond halverwege de jaren tachtig nadat Charles Hull de zogenaamde stereolithografie uitvond, waarbij de bovenste laag van een plas hars wordt gehard door een ultraviolette laser. Verschillende methoden van 3D-printen zijn populair geworden bij ingenieurs die prototypes van nieuwe ontwerpen willen maken of een paar sterk aangepaste onderdelen willen maken: ze kunnen een 3D-blauwdruk maken van een onderdeel in een computerondersteund ontwerpprogramma en vervolgens een printer om het uren later uit te spugen. Dit proces vermijdt de initiële kosten, lange doorlooptijden en ontwerpbeperkingen van conventionele productietechnieken voor grote volumes, zoals spuitgieten, gieten en stempelen. Maar de technologie is aangepast aan slechts een beperkt aantal materialen en er zijn vragen over de kwaliteitscontrole. Het bouwen van onderdelen op deze manier verliep ook traag - het kan een dag of langer duren om te doen wat traditionele productie in minuten of uren kan bereiken. Om deze redenen is 3D-printen niet gebruikt voor zeer grote series productieonderdelen.

Maar nu vordert de technologie ver genoeg voor productieruns in nichemarkten zoals medische hulpmiddelen. En het is klaar om in de komende jaren in verschillende grotere toepassingen door te breken. We zijn op het punt beland waarop er voldoende kritische vooruitgang is geboekt om de technologie echt bruikbaar te maken bij de productie van eindgebruiksonderdelen, zegt Tim Gornet, die het Rapid Prototyping Center aan de Universiteit van Louisville leidt.

Drukken op afdrukken : Deze foto toont een reeks metalen onderdelen van een straalmotor die bij GE zijn afgedrukt.

INROADS MAKEN

Er kunnen verschillende technieken worden gebruikt om een ​​massief object laag voor laag te printen. Bij sinteren wordt een dunne laag poedervormig metaal of thermoplast blootgesteld aan een laser- of elektronenstraal die het materiaal in aangewezen gebieden samensmelt tot een vaste stof; vervolgens wordt er een nieuwe laag poeder op gelegd en wordt het proces herhaald. Onderdelen kunnen ook worden opgebouwd met verwarmd plastic of metaal geëxtrudeerd of gespoten door een mondstuk dat beweegt om de vorm van een laag te creëren, waarna een andere laag er direct op wordt afgezet, enzovoort. Bij een andere 3D-printmethode wordt lijm gebruikt om poeders te binden.

Luchtvaartbedrijven lopen voorop bij het toepassen van de technologie, omdat vliegtuigen vaak onderdelen met complexe geometrieën nodig hebben om te voldoen aan lastige luchtstroom- en koelingsvereisten in vastgelopen compartimenten. Volgens Terry Wohlers, een productieadviseur die gespecialiseerd is in additieve processen, vliegen al ongeveer 20.000 onderdelen die zijn gemaakt door lasersinteren in militaire en commerciële vliegtuigen gemaakt door Boeing, waaronder 32 verschillende componenten voor zijn 787 Dreamliner-vliegtuigen. Dit zijn geen items die in massa moeten worden geproduceerd; Boeing zou er het hele jaar een paar honderd kunnen maken. Ze zijn ook niet kritisch voor de vlucht; daaronder zijn de voor de koeling uitbundig gevormde luchtkanalen die voorheen in meerdere stukken moesten worden vervaardigd. Nu kunnen we het ontwerp van deze onderdelen optimaliseren voor gewicht en besparen we materiaal en arbeid, zegt Mike Vander Wel, directeur van Boeing's productietechnologiestrategiegroep. In theorie is dit voor ons de ultieme productiemethode. Hoewel de snelheidsbeperkingen van 3D-printen ervoor kunnen zorgen dat het nooit de meeste onderdelen van Boeing zal produceren, zegt Vander Wel, zal de aanpak waarschijnlijk in een groeiend deel van hen worden gebruikt.

De belangrijkste rivaal van Boeing, de European Aeronautic Defence and Space Company (EADS), gebruikt de technologie om titaniumonderdelen in satellieten te maken en hoopt deze te gebruiken voor onderdelen die het in hogere volumes maakt voor Airbus-vliegtuigen. We weten nog niet in hoeverre ons gebruik van additieve laagproductie zal zijn, maar we zien geen showstoppers, zegt Jon Meyer, hoofd van het onderzoek naar 3D-printen bij de Innovation Works-divisie van EADS in Engeland.

Kleinere schaal : Hier zie je een microprinter die GE gebruikt om nieuwe manieren te testen om dingen uit keramische materialen te bouwen. Onderzoekers gebruiken de machine om de transducers af te drukken die worden gebruikt als sondes in ultrasone machines; ze denken dat het tijd en geld kan besparen en tegelijkertijd het ontwerp kan verbeteren.

GE's straalmotordivisie is misschien dichterbij dan wie dan ook om 3D-geprinte onderdelen in grootschalige commerciële productie te brengen. Naast de brandstofinjector, is GE ook bezig met het lasersinteren van titanium in complexe vormen voor 1,20 meter lange strips die op de voorrand van ventilatorbladen worden geplakt. Deze strips leiden vuil af en zorgen voor een efficiëntere luchtstroom. Tot nu toe heeft elk ervan tientallen uren smeden en machinaal bewerkt, waarbij 50 procent van het titanium verloren ging. Door over te schakelen op 3D-printen, bespaart het bedrijf ongeveer $ 25.000 aan arbeid en materiaal in elke motor, schat Todd Rockstroh, de GE-consultant die de inspanning leidt. De bladrand en de brandstofinjector zullen al in 2013 in motoren verschijnen en ze zullen tegen ongeveer 2016 in duizenden productieruns worden geïntegreerd.

Ondertussen, zegt Rockstroh, hoopt het bedrijf ontwerpflexibiliteit te krijgen door 3D-printen voor meer onderdelen te gebruiken. Toen het onlangs ontdekte dat een steel in de brandstofinjector werd blootgesteld aan extreme hittestress, kwam er binnen een week een opnieuw ontworpen versie uit de printer. Vroeger moesten we 20 verschillende onderdelen opnieuw ontwerpen, met alle bijbehorende tooling, zegt Rockstroh. Het was misschien niet eens mogelijk. En het gebruik van 3D-printen om de binnenkant van sommige onderdelen te plooien, kan hun gewicht tot 70 procent verminderen, wat een luchtvaartmaatschappij jaarlijks miljoenen liters brandstof kan besparen. Dat vooruitzicht heeft GE op zoek naar manieren om alles te printen, van versnellingsbakbehuizingen tot besturingsmechanismen. We gaan volgend jaar op een grote speurtocht naar gewichtsvermindering, zegt Rockstroh.

Auto's zouden op dezelfde manier kunnen profiteren van lichtere onderdelen, en de Universiteit van Louisville's Gornet merkt op dat printprocessen het gewicht van kleppen, zuigers en brandstofinjectoren met minstens de helft kunnen verminderen. Sommige fabrikanten van ultraluxe en high-performance auto's, waaronder Bentley en BMW, gebruiken al 3D-printen voor onderdelen met honderden productieruns.

gepolijst : Een transducer gemaakt in GE's microprinter (boven) en dezelfde transducer na te zijn verfijnd en afgewerkt in andere machines (onder).

UITDAGINGEN OM TE OVERWINNEN

Zonder de beperkingen van de technologie zou 3D-printen al veel breder worden gebruikt. De snelheden zijn momenteel verschrikkelijk laag, zegt Singh van GE. Todd Grimm, hoofd van een adviesbureau voor additievenproductie in Edgewood, Kentucky, schat dat de tijd die nodig is om een ​​onderdeel te produceren honderdvoudig zal moeten verbeteren, wil 3D-printen in de meeste toepassingen rechtstreeks concurreren met conventionele productietechnieken. . Dat gaat de komende jaren niet gebeuren.

Nog een probleem: voorlopig kan slechts een handvol plastic en metaalverbindingen worden gebruikt bij 3D-printen. Bij lasersinteren moet het materiaal bijvoorbeeld in staat zijn om een ​​poeder te vormen dat netjes zal smelten als het met een laser wordt geraakt en daarna snel stolt. De verbindingen die aan de noodzakelijke criteria voldoen, kunnen 50 tot 100 keer zoveel kosten als de grondstoffen die in conventionele productieprocessen worden gebruikt, deels omdat er zo weinig vraag naar is dat ze alleen verkrijgbaar zijn bij kleine gespecialiseerde leveranciers.

Naarmate de vraag toeneemt met nieuwe toepassingen, zou de concurrentie met leveranciers echter de prijzen drastisch moeten verlagen. En de lijst met beschikbare materialen breidt zich langzaam uit. GE probeert keramiek te gebruiken, wat nieuwe mogelijkheden zou openen in onder meer motoren en medische apparaten.

Ook eenvoudige ervaring zal veel doen om de technologie te verbeteren. Tot nu toe hebben fabrikanten niet genoeg gegevens om precies te voorspellen hoe een onderdeel eruit zal zien en hoe het zal standhouden, of hoe productievariabelen, waaronder temperatuur, materiaalkeuze, vorm van het onderdeel en afkoeltijd, de resultaten beïnvloeden. Dat kan frustrerend zijn, zegt Singh: 3D-printen wordt vaak een zwarte kunst. Een onderdeel bestaat uit duizenden lagen en elke laag is een mogelijke faalmodus. We begrijpen nog steeds niet waarom een ​​onderdeel op de ene machine net iets anders uitkomt dan op een andere, of zelfs op dezelfde machine op een andere dag. Het laagvormingsproces heeft bijvoorbeeld de neiging om op onvoorspelbare manieren spanningen tussen de lagen op te bouwen, zodat sommige delen vervormd raken. Porositeit kan ook binnen onderdelen variëren, wat leidt tot bezorgdheid over vermoeidheid of broosheid. Dat kan een groot probleem zijn bij vliegtuigmotoren of vleugelsteunen. We weten hoe we de metalen sterk genoeg kunnen maken, zegt Vander Wel van Boeing. Maar we maken ons zorgen over de onvoorspelbaarheid. Kunnen we een resultaat herhalen om 100 delen te krijgen die precies hetzelfde zijn? We weten het nog niet zeker.

Zelfs met deze uitdagingen staat de tijd aan de kant van 3D-printen, zegt Vander Wel, en niet alleen omdat de processen verbeteren. Ingenieurs zijn begrijpelijkerwijs terughoudend om een ​​nieuwe technologie voor kritieke onderdelen te omarmen wanneer hun deadlines en reputaties, om nog maar te zwijgen van het leven van mensen in vliegtuigen, op het spel staan. Maar jongere ontwerpers passen zich sneller aan, zegt hij. Ze zeggen niet zo snel: 'Het kan niet op deze manier worden gebouwd.'

David H. Freedman, een wetenschapsjournalist gevestigd in Boston, schreef over optogenetica in het november/december 2010 nummer van KINDEREN . Zijn nieuwste boek is Fout: waarom experts ons blijven teleurstellen .

zich verstoppen