Slānis pēc slāņa

Reaktīvo dzinēju daļām ir jāiztur satriecoši spēki un temperatūra, un tām ir jābūt pēc iespējas vieglākām, lai ietaupītu degvielu. Tas nozīmē, ka to izgatavošana ir sarežģīta un dārga: General Electric tehniķi metina kopā pat 20 atsevišķus metāla gabalus, lai iegūtu formu, kas efektīvi sajauc degvielu un gaisu degvielas sprauslā. Bet jaunam dzinējam, kas iznāks nākamgad, GE uzskata, ka tam ir labāks veids, kā izgatavot degvielas iesmidzinātājus: tos izdrukājot.

Lai to izdarītu, lāzers izseko inžektora šķērsgriezuma formu uz kobalta-hroma pulvera slāņa, kausējot pulveri cietā formā, lai vienā reizē veidotu inžektors vienu īpaši plānu slāni. Tas solās būt lētāks nekā tradicionālās ražošanas metodes, un tam vajadzētu radīt vieglāku daļu, proti, labāku. Pirmās daļas tiks izmantotas reaktīvos dzinējos, saka Prabhjot Singh, kurš vada laboratoriju GE, kas koncentrējas uz šī un līdzīgu 3-D drukāšanas procesu uzlabošanu un pielietošanu. Taču viņš piebilst, ka nav nevienas dienas, kad mēs nedzirdētu kādu no citām GE nodaļām par interesi par šīs tehnoloģijas izmantošanu.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2012. gada janvāra numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Šīs inovācijas ir priekšgalā radikālām izmaiņām ražošanas tehnoloģijā, kas ir īpaši pievilcīgas progresīvās lietojumprogrammās, piemēram, aviācijā un automašīnās. 3-D drukas metodes ne tikai padarīs efektīvāku esošo detaļu ražošanu. Tie arī ļaus izgatavot lietas, kas iepriekš nebija pat iedomājamas, piemēram, detaļas ar sarežģītām, izgrieztām formām, kas samazina svaru, nezaudējot spēku. Atšķirībā no apstrādes procesiem, kas var atstāt līdz pat 90 procentiem materiāla uz grīdas, 3-D drukāšana praktiski neatstāj atkritumus — tas ir milzīgs apsvērums, izmantojot dārgus metālus, piemēram, titānu. Šī tehnoloģija varētu arī samazināt vajadzību uzglabāt rezerves daļas, jo tikpat viegli ir izdrukāt citu daļu vai tās uzlabotu versiju 10 gadus pēc pirmās daļas izgatavošanas. Automašīnu ražotājs, kas saņem ziņojumus par drošības jostas mehānisma kļūmi, dažu dienu laikā varētu saņemt pārkonfigurētu versiju pie izplatītājiem.

Piedevu ražošana, kā zināms arī 3-D drukāšana, radās 80. gadu vidū pēc tam, kad Čārlzs Hols izgudroja to, ko viņš sauca par stereolitogrāfiju, kurā sveķu baseina augšējais slānis tiek sacietēts ar ultravioleto lāzeru. Dažādas 3-D drukāšanas metodes ir kļuvušas populāras inženieru vidū, kuri vēlas izveidot jaunu dizainu prototipus vai izgatavot dažas īpaši pielāgotas detaļas: viņi var izveidot detaļas 3D projektu datorizētā projektēšanas programmā un pēc tam iegūt printeri, lai pēc stundām to izspļautu. Šis process ļauj izvairīties no sākotnējām izmaksām, gariem izpildes laikiem un dizaina ierobežojumiem, ko rada tradicionālas liela apjoma ražošanas metodes, piemēram, iesmidzināšana, liešana un štancēšana. Taču tehnoloģija ir pielāgota tikai ierobežotam materiālu kopumam, un ir bijuši jautājumi par kvalitātes kontroli. Arī detaļu izgatavošana šādā veidā ir bijusi lēna — var paiet diena vai vairāk, lai paveiktu to, ko tradicionālā ražošana var paveikt dažu minūšu vai stundu laikā. Šo iemeslu dēļ 3-D drukāšana nav izmantota ļoti lielām ražošanas daļu sērijām.

Taču tagad tehnoloģija attīstās pietiekami tālu, lai varētu ražot nišas, piemēram, medicīnas ierīces. Un tuvāko gadu laikā tas ir gatavs sadalīties vairākās lielākās lietojumprogrammās. Mēs esam nonākuši līdz vietai, kad notiek pietiekami daudz kritisku sasniegumu, lai padarītu tehnoloģiju patiesi noderīgu galapatēriņa detaļu ražošanā, saka Tims Gornets, kurš vada Luisvilas universitātes Ātrās prototipēšanas centru.

Nospiežot apdruku : Šajā fotoattēlā ir redzams GE drukāts metāla reaktīvo dzinēju komponentu klāsts.

IEVĒROJUMI

Cieta objekta slāņa slāņa drukāšanai var izmantot vairākas metodes. Saķepināšanas laikā plāns pulverveida metāla vai termoplasta slānis tiek pakļauts lāzera vai elektronu stara iedarbībai, kas saplūst ar materiālu cietā vielā noteiktās vietās; tad virsū uzklāj jaunu pulvera pārklājumu un procesu atkārto. Detaļas var arī uzbūvēt ar apsildāmu plastmasu vai metālu, kas tiek izspiesta vai izšļakstīta caur sprauslu, kas kustas, lai izveidotu viena slāņa formu, pēc tam tieši virsū tiek uzklāts cits slānis un tā tālāk. Citā 3-D drukas metodē pulveru saistīšanai izmanto līmi.

Aviācijas un kosmosa uzņēmumi ir šīs tehnoloģijas ieviešanas priekšgalā, jo lidmašīnām bieži ir vajadzīgas detaļas ar sarežģītu ģeometriju, lai tās atbilstu sarežģītajām gaisa plūsmas un dzesēšanas prasībām iestrēgušos nodalījumos. Aptuveni 20 000 detaļu, kas izgatavotas ar lāzera saķepināšanu, jau lido ar Boeing ražotajām militārajām un komerciālajām lidmašīnām, tostarp 32 dažādas sastāvdaļas tā 787 Dreamliner lidmašīnām, norāda Terijs Volers, ražošanas konsultants, kurš specializējas piedevu procesos. Tie nav priekšmeti, kas jāražo masveidā; Boeing varētu ražot dažus simtus to visu gadu. Tie arī nav kritiski lidojumam; starp tiem ir smalki veidoti dzesēšanai nepieciešamie gaisa vadi, kas iepriekš bija jāražo vairākos gabalos. Tagad mēs varam optimizēt šo detaļu dizainu atbilstoši svaram, kā arī ietaupām materiālus un darbaspēku, saka Maiks Vanders Vels, Boeing ražošanas tehnoloģiju stratēģijas grupas direktors. Teorētiski šī mums ir labākā ražošanas metode. Lai gan 3-D drukāšanas ātruma ierobežojumi var neļaut tai ražot lielāko daļu Boeing detaļu, Vanders Vels saka, ka šī pieeja, visticamāk, tiks izmantota arvien lielākā daļā no tām.

Boeing galvenais sāncensis Eiropas Aeronautikas aizsardzības un kosmosa uzņēmums (EADS) izmanto tehnoloģiju, lai ražotu titāna detaļas satelītos, un cer to izmantot daļām, ko tā ražo Airbus lidmašīnām. Mēs vēl nezinām, cik lielā mērā mēs izmantosim piedevu slāņu ražošanu, taču mēs neredzam nekādus uzstāšanos ierobežotājus, saka Džons Maijers, kurš vada 3-D drukāšanas pētījumus EADS Inovāciju darbu nodaļā. Anglija.

Mazāks mērogs : Šeit ir redzams mikroprinteris, ko GE izmanto, lai pārbaudītu jaunus veidus, kā izgatavot lietas no keramikas materiāliem. Pētnieki izmanto iekārtu, lai izdrukātu devējus, ko izmanto kā zondes ultraskaņas iekārtās; viņi uzskata, ka tas varētu ietaupīt laiku un naudu, vienlaikus uzlabojot dizainu.

GE reaktīvo dzinēju nodaļa var būt tuvāk nekā jebkura cita 3-D drukāto detaļu ieviešanai liela mēroga komerciālā ražošanā. Papildus degvielas inžektoram GE arī ar lāzeru saķepina titānu sarežģītās formās četru pēdu garām sloksnēm, kas piestiprinātas pie ventilatora lāpstiņu priekšējās malas. Šīs sloksnes novirza gružus un rada efektīvāku gaisa plūsmu. Līdz šim katrs no tiem prasījis desmitiem stundu kalšanas un apstrādes, kuru laikā tika zaudēti 50 procenti titāna. Pārejot uz 3-D drukāšanu, uzņēmums ietaupīs apmēram USD 25 000 darbaspēka un materiālu katrā dzinējā, lēš Tods Rokstrohs, GE konsultāciju inženieris, kurš vada šo darbu. Lāpstiņas mala un degvielas iesmidzinātājs sāks parādīties dzinējos jau 2013. gadā, un tie tiks integrēti pilna apjoma ražošanā tūkstošos līdz aptuveni 2016. gadam.

Tikmēr, saka Rockstroh, uzņēmums cer iegūt dizaina elastību, izmantojot 3-D drukāšanu vairākām daļām. Kad nesen tika atklāts, ka degvielas sprauslas kāts ir pakļauts pārmērīgam karstuma spriegumam, nedēļas laikā no printera iznāca pārveidota versija. Pirms tam mums būtu bijis jāpārveido 20 dažādas detaļas ar visiem saistītajiem instrumentiem, saka Rokstrohs. Varbūt tas pat nebija iespējams. Un, izmantojot 3-D drukāšanu, lai gofrētu dažu daļu iekšpusi, var samazināt to svaru līdz pat 70 procentiem, kas ik gadu var ietaupīt aviokompānijai miljoniem galonu degvielas. Šis potenciālais uzņēmums GE meklē veidus, kā izdrukāt visu, sākot no pārnesumkārbas korpusiem un beidzot ar vadības mehānismiem. Nākamgad mēs ķersimies pie liela svara samazināšanas slazdošanas, saka Rokstrohs.

Arī automašīnas varētu gūt labumu no vieglākām daļām, un Luisvilas Universitātes Gornets atzīmē, ka drukāšanas procesi varētu samazināt vārstu, virzuļu un degvielas iesmidzinātāju svaru vismaz uz pusi. Daži īpaši luksusa un augstas veiktspējas automašīnu ražotāji, tostarp Bentley un BMW, jau izmanto 3-D drukāšanu daļām, kuru ražošanas apjoms ir simtiem.

Pulēts : devējs, kas izgatavots GE mikroprinterī (augšpusē), un tas pats devējs pēc pilnveidošanas un apdares citās iekārtās (apakšā).

IZAICINĀJUMI, KAS PĀRVĒRST

Ja tas nebūtu tehnoloģiju ierobežojumu, 3-D drukāšana jau tiktu izmantota daudz plašāk. Ātrumi šobrīd ir šausmīgi lēni, saka GE Singh. Tods Grimms, kurš vada piedevu ražošanas konsultāciju uzņēmumu Edžvudā, Kentuki štatā, lēš, ka daļas izgatavošanai nepieciešamajam laikam būs pat simtkārtīgi jāpalielina, ja 3-D drukāšana vairumā lietojumu tieši konkurēs ar tradicionālajām ražošanas metodēm. . Tas nenotiks tuvāko gadu laikā.

Vēl viena problēma: pagaidām 3-D drukāšanā var izmantot tikai nedaudz plastmasas un metāla savienojumu. Piemēram, lāzera saķepināšanas procesā materiālam jāspēj izveidot pulveri, kas, trāpot ar lāzeru, glīti izkusīs un pēc tam ātri sacietēs. Savienojumi, kas atbilst nepieciešamajiem kritērijiem, var maksāt no 50 līdz 100 reižu vairāk par izejvielām, ko izmanto tradicionālajos ražošanas procesos, daļēji tāpēc, ka tiem ir tik mazs pieprasījums, ka tie ir pieejami tikai no maziem specializētiem piegādātājiem.

Tomēr, pieaugot pieprasījumam ar jauniem lietojumiem, piegādātāju konkurencei vajadzētu ievērojami samazināt cenas. Un pieejamo materiālu saraksts pamazām paplašinās. GE cenšas izmantot keramiku, kas cita starpā pavērtu jaunas iespējas dzinējos un medicīnas ierīcēs.

Arī vienkārša pieredze palīdzēs uzlabot tehnoloģiju. Pagaidām ražotājiem nav pietiekami daudz datu, lai precīzi paredzētu, kā detaļa izrādīsies un kā tā izturēs, vai kā ražošanas mainīgie, tostarp temperatūra, materiāla izvēle, daļas forma un dzesēšanas laiks, ietekmē rezultātus. Tas var būt nomākts, saka Sings: 3-D drukāšana bieži vien kļūst par melnu mākslu. Daļa ir izgatavota no tūkstošiem slāņu, un katrs slānis ir potenciāls atteices režīms. Mēs joprojām nesaprotam, kāpēc viena detaļa vienā mašīnā iznāk nedaudz savādāk nekā citā vai pat tajā pašā mašīnā citā dienā. Piemēram, slāņošanas procesam ir tendence neparedzamā veidā veidot starpslāņu spriegumus, tādējādi dažas daļas tiek izkropļotas. Porainība var atšķirties arī daļās, radot bažas par nogurumu vai trauslumu. Tā varētu būt liela problēma lidmašīnu dzinējos vai spārnu statņos. Mēs zinām, kā padarīt metālus pietiekami izturīgus, saka Boeing Vander Wel. Bet mēs uztraucamies par neparedzamību. Vai mēs varam atkārtot rezultātu, lai iegūtu 100 daļas, kas ir tieši tādas pašas? Mēs vēl neesam pārliecināti.

Pat ar šiem izaicinājumiem laiks ir 3D drukāšanas pusē, saka Vanders Vels, un ne tikai tāpēc, ka procesi uzlabojas. Saprotams, ka inženieri nevēlas pieņemt jaunu tehnoloģiju kritiskām daļām, kad uz spēles tiek likti viņu termiņi un reputācija, nemaz nerunājot par cilvēku dzīvībām lidmašīnās. Bet jaunāki dizaineri ātrāk pielāgojas, viņš saka. Viņi tik ātri nesaka: 'To nevar izveidot šādā veidā.'

Deivids H. Frīdmens, zinātnes žurnālists no Bostonas, rakstīja par optoģenētiku 2010. gada novembra/decembra numurā. BĒRNI . Viņa jaunākā grāmata ir Nepareizi: kāpēc eksperti mums nepiepilda .

paslēpties