CAMADA POR CAMADA - IMPRESSORA 3D DA GE

 

Camada por camada

Com 3 D-impressão, os fabricantes podem fazer os produtos existentes de forma mais eficiente e criar outros que não eram possíveis antes.

  • JANEIRO / FEVEREIRO 2012
  • POR DAVID H. FREEDMAN

Acúmulo : GE fez o componente do motor da aeronave, à esquerda, usando um laser para derreter metal em lugares precisos, começando com uma única camada visto à direita. Crédito: Bob O'Connor

Tele peças em motores a jato tem que suportar forças surpreendentes e temperaturas, e eles têm que ser o mais leve possível para poupar combustível. Isso significa que é complexo e caro para torná-los: técnicos da General Electric soldar mais de 20 pedaços de metal para conseguir uma forma eficiente que mistura combustível e ar em um injetor de combustível. Mas, para um novo motor que sai no próximo ano, a GE pensa que tem uma maneira melhor para fazer injetores de combustível: até imprimi-las.

Para fazê-lo, um laser de traços a forma de seção transversal do injector sobre um leito de cobalto-cromo em pó, fundindo o pó em forma sólida para construir o injector camada ultrafina um de cada vez. Este promete ser menos caro do que os métodos de produção tradicionais, e deve levar a uma parte mais leve-o que quer dizer um melhor. As primeiras partes irão para motores a jato, diz Prabhjot Singh, que dirige um laboratório da GE que se concentra em melhorar e aplicar essa e similares processos de impressão 3-D. Mas, acrescenta, "não há um dia nós não ouvimos de uma das outras divisões da GE interessado em usar essa tecnologia."

Essas inovações estão na vanguarda de uma mudança radical na tecnologia de fabricação que é especialmente atraente em aplicações avançadas como aeroespacial e carros. As técnicas de impressão 3-D não apenas torná-lo mais eficiente para produzir peças existentes.Eles também tornam possível a produção de coisas que não eram sequer imagináveis ​​antes, como as peças com complexo, recolheu-out formas que minimizar o peso sem sacrificar a resistência. Ao contrário dos processos de usinagem, que pode deixar até 90 por cento do material no chão, a impressão 3-D deixa praticamente sem resíduos uma consideração enorme com metais caros, como o titânio. A tecnologia também poderia reduzir a necessidade de armazenar as peças em estoque, porque é tão fácil de imprimir outra parte ou uma versão melhorada do it-10 anos após a primeira foi feita. Um fabricante de automóveis a receber relatórios de uma falha em um mecanismo do cinto de segurança poderia ter uma versão reestruturada a caminho de traficantes dentro de dias.

De produção de aditivos, como a impressão 3-D também é conhecido, surgiu em meados dos anos 1980, após Charles casco inventou o que chamou de estereolitografia, na qual a camada superior de um pool de resina é endurecido por um laser ultravioleta. Vários métodos de impressão 3-D tornaram-se populares com os engenheiros que querem criar protótipos de novos designs ou fazer algumas peças altamente personalizados: eles podem fazer um blueprint 3-D de uma peça em um programa de desenho assistido por computador e, em seguida, obter um impressora para cuspi-la horas depois. Este processo evita os custos up-front, longos tempos de espera e restrições de design de técnicas convencionais de alto volume de produção como moldagem por injeção, fundição e estamparia. Mas a tecnologia foi adaptada para apenas um conjunto limitado de materiais, e tem havido perguntas sobre controle de qualidade. Peças de construção desta forma também tem sido lenta pode demorar um dia ou mais para fazer o fabrico tradicional pode realizar em minutos ou horas.Por estas razões, a impressão 3-D não foi usado para corridas muito grande de peças de produção.

Mas agora a tecnologia está avançando o suficiente para a produção corre em nichos de mercado, tais como dispositivos médicos. E é posicionado para quebrar em várias aplicações maiores ao longo dos próximos anos. "Nós chegamos ao ponto quando os avanços estão acontecendo crítica suficiente para tornar a tecnologia realmente útil na fabricação de peças de utilização final", diz Tim Gornet, que dirige o Centro de Prototipagem Rápida na Universidade de Louisville.

Pressionando print : Esta foto mostra uma matriz de metal de motores a jato componentes impressos na GE.Crédito: Bob O'Connor

Fazendo incursões

Várias técnicas podem ser usadas para "imprimir" uma camada por camada objeto sólido.Na sinterização, uma camada fina de metal em pó ou termoplástico é exposto a um feixe de laser ou elétrons que funde o material em um sólido em áreas designadas, em seguida, um novo revestimento de pó é colocado na parte superior e repetir o processo. Partes também pode ser construído com plástico ou metal aquecido extrudados ou injecção através de um bocal que se move para criar a forma de uma camada, após o que uma outra camada é depositado diretamente em cima, e assim por diante. Em outro método de impressão 3-D, a cola é usada para vincular pós.

Empresas aeroespaciais estão na vanguarda da adoção da tecnologia, porque os aviões muitas vezes precisam de peças com geometrias complexas para atender o fluxo de ar complicado e os requisitos de arrefecimento em compartimentos preso. Cerca de 20.000 peças feitas por sinterização a laser já estão voando em aviões militares e comerciais feitos pela Boeing, incluindo 32 diferentes componentes para seus aviões Dreamliner 787, de acordo com Terry Wohlers, um consultor de fabricação que se especializou em processos de aditivo. Estes não são itens que devem ser produzidos em massa; Boeing poderia fazer algumas centenas deles todos os anos. Eles também não crítico para o vôo, entre eles estão os dutos de ar elaborada em forma necessária para o arrefecimento, que anteriormente tinham de ser fabricado em várias peças. "Agora nós podemos otimizar o projeto dessas peças para o peso, e nós economizar material e de trabalho", diz Mike Vander Wel, diretor do grupo Boeing da estratégia de manufatura da tecnologia. "Em teoria, este é o método de fabricação final para nós." Embora as limitações de velocidade de 3 D-impressão pode mantê-lo sempre de produzir a maioria de peças da Boeing, diz Vander Wel, a abordagem é susceptível de ser utilizado em uma proporção crescente deles.

O principal rival da Boeing, a Defesa European Aeronautic and Space Company (EADS), está usando a tecnologia para fazer peças de titânio em satélites e espera usá-lo para as peças que faz em maior volume de aviões Airbus. "Nós ainda não sabemos o que a extensão do nosso uso de aditivo camada de fabricação, haverá ainda, mas não vemos qualquer bujões da mostra", diz Jon Meyer, que lidera a investigação sobre a impressão 3-D na Inovação EADS de Obras divisão em Inglaterra.

Menor escala : aqui é uma atividade microprinter que a GE utiliza para testar novas maneiras de construir coisas a partir de materiais cerâmicos. Os pesquisadores estão usando a máquina para imprimir a transdutores utilizados como sondas em máquinas de ultra-som, pois eles acreditam que podem economizar tempo e dinheiro, melhorando design. Crédito: Bob O'Connor

Divisão da GE motor a jato pode estar mais perto do que qualquer outro para trazer 3-D-impressos peças em grande escala de produção comercial. Além do injetor de combustível, a GE também é a laser-sinterização de titânio em formas complexas por quatro metros de comprimento tiras coladas sobre a ponta das pás do ventilador. Estas tiras desviar detritos e criar um fluxo mais eficiente. Até agora, cada um tem exigido dezenas de horas de forja e usinagem, durante o qual 50 por cento do titânio foi perdido. Ao mudar para a impressão 3-D, a empresa vai economizar cerca de US $ 25.000 em trabalho e material de cada motor, estimativas Todd Rockstroh, o engenheiro consultor da GE que dirige o esforço. A borda da lâmina e do injetor de combustível começarão a aparecer nos motores já em 2013, e eles vão ser integrados em grande escala de produção é executado na casa dos milhares em cerca de 2016.

Enquanto isso, diz Rockstroh, a empresa espera ganhar flexibilidade de design usando a impressão 3-D para peças mais. Quando se descobriu recentemente que um tronco no injetor de combustível foi submetido a níveis excessivos de estresse por calor, uma versão redesenhada saiu da impressora dentro de uma semana. "Antes, teríamos de reformular 20 partes diferentes, com todas as ferramentas do associado", afirma Rockstroh. "Pode não ter sido sequer possível." E usando a impressão 3-D para franzir o interior de algumas peças pode reduzir o seu peso em até 70 por cento, o que pode salvar uma companhia aérea milhões de litros de combustível a cada ano. Essa perspectiva tem GE procurando maneiras de imprimir tudo, desde caixas de câmbio de mecanismos de controle. "Estamos indo para uma caçada grande redução de peso no próximo ano", afirma Rockstroh.

Automóveis podem igualmente beneficiar de peças mais leves, e da Universidade de Louisville notas de Gornet que os processos de impressão pode reduzir o peso de válvulas, pistões, e injetores de combustível em pelo menos metade. Alguns fabricantes de ultraluxury e carros de alto desempenho, incluindo a Bentley ea BMW, já estão usando a impressão 3-D para peças com produção gira em centenas.

Polido : Um transdutor feita em microprinter GE (superior) eo transdutor mesmo depois de ser refinado e terminou em outras máquinas (baixo). Crédito: Bob O'Connor

Desafios a superar

Se não fosse pelas limitações da tecnologia, a impressão 3-D já estaria muito mais amplamente utilizado. "As velocidades são atrozmente lenta agora", diz Singh GE. Todd Grimm, que dirige uma consultoria de aditivo de fabricação em Edgewood, Kentucky, estima que o tempo que leva para produzir uma parte terá que melhorar tanto quanto cem vezes, se a impressão 3-D é competir diretamente com as técnicas de fabricação convencionais na maioria das aplicações . Isso não vai acontecer nos próximos anos.

Outro problema: por enquanto, apenas um punhado de plástico e compostos de metais pode ser usado em 3-D de impressão. Na sinterização a laser, por exemplo, o material deve ser capaz de formar um pó que derrete perfeitamente quando é atingido com um laser, e depois solidificar rapidamente. Os compostos que atendem aos critérios necessários pode custar 50 a 100 vezes, tanto em peso como matérias-primas utilizadas nos processos de manufatura convencional, em parte porque eles estão em baixa demanda tal que eles estão disponíveis somente de fornecedores especializados de pequeno porte.

Com o aumento da demanda com novas aplicações, no entanto, a concorrência fornecedor deve puxar os preços para baixo drasticamente. E a lista de materiais disponíveis é lenta expansão. GE está tentando usar a cerâmica, o que abriria novas possibilidades em motores e dispositivos médicos, entre outras áreas.

Experiência simples, também, vai fazer muito para melhorar a tecnologia. Até agora, os fabricantes não têm dados suficientes para prever exatamente como uma parte vai sair e como ela irá realizar-se, ou como variáveis-incluindo a produção de temperatura, escolha de material, forma da peça, e tempo de resfriamento, afetar os resultados. Isso pode ser frustrante, diz Singh: "3-D de impressão, muitas vezes acaba sendo uma arte negra Uma parte é feita de milhares de camadas, e cada camada é um modo de falha potencial Nós ainda não entendo por que uma parte vem.. fora de forma ligeiramente diferente em uma máquina do que em outro, ou até mesmo na mesma máquina em um dia diferente. " Por exemplo, o processo de separação tende a acumular tensões intercalar de formas imprevisíveis, de modo que algumas partes acabam distorcidos. Porosidade pode variar dentro de peças, bem como, levando a preocupações sobre cansaço ou fragilidade. Que poderia ser um grande problema nos motores de aeronaves ou suportes da asa. "Nós sabemos como fazer os metais fortes o suficiente", diz Vander Boeing Wel. "Mas nos preocupamos com a imprevisibilidade. Podemos repetir um resultado para obter 100 peças que são exatamente os mesmos? Não temos certeza ainda."

Mesmo com esses desafios, o tempo está do lado de impressão 3-D, diz Vander Wel, e não apenas porque os processos estão melhorando. Engenheiros estão compreensivelmente relutantes em abraçar uma nova tecnologia para peças críticas quando seus prazos e reputações, para não mencionar a vida das pessoas em aviões, estão em jogo. "Mas os designers mais jovens se adaptam mais rapidamente", diz ele. "Eles não são tão rápidos em dizer: 'Não pode ser construído desta forma.'"

fonte: http://www.technologyreview.com/article/39316/?nlid=nlmat&nld=2011-12-22

 

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