Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Elektronik

Ny teknik til additiv fremstillingsdesign

Sandia National Laboratories projektleder og maskiningeniør Ted Winrow med det teleskop, han og hans team byggede ved hjælp af avancerede fremstillingsteknikker. Kredit:Randy Montoya

Et team fra Sandia National Laboratories byggede et teleskop for at demonstrere, hvordan man designer til additiv fremstilling, kendt som 3D-udskrivning, at udnytte teknikkens styrker og svagheder.

Sandias treårige Laboratory Directed Research and Development-projekt beviste gennemførligheden af ​​at bruge additiv fremstilling som et helt nyt designværktøj, vidt forskellig fra standardteknikken med at flytte fra håndtegning til computerstøttet design til bearbejdning af dele, sagde Ted Winrow, en maskiningeniør, der ledede projektet.

I stedet for at koncentrere sig om at printe præcisionsdele, projektet fokuserede på, hvordan man sætter mindre præcise 3-D-printede dele sammen med præcise værktøjer, drage fordel af den hurtige prototyping, design og fremstilling mulig med additiv fremstilling.

"Det er nuancen, der ser ud til at gå tabt, at du skal designe anderledes, "Sagde Winrow." Det tilsluttes ikke en standard designproces. "

Holdet skabte en lettere vægt, billigere jordbaseret teleskop på omkring en tredjedel af tiden for et traditionelt fremstillet teleskop til omkring en femtedel af prisen, han sagde. De brugte 3-D-printede komponenter, modulært design og, til teleskopets optiske design, billedkorrektionsalgoritmer, der også hjalp med at spare penge.

Kredit:Sandia National Laboratories

Teknikken flytter penge fra tilbagevendende omkostninger, "hvor hver del skal være præcis, til engangsomkostninger, hvor du bare køber et sæt værktøjer, som du kan bruge i måske 10 år, " sagde Winrow. "Så når du laver produktionskørsler, får du omkostningsbesparelser. Du har sparet tid, fordi du ikke venter på, at hvert stykke skal laves "ved bearbejdning.

Præcise tolerancer kontra præcis samling

Der er to måder at nærme sig opbygningen af ​​enhver præcisionsstruktur:lav hvert stykke til nøjagtige tolerancer, så samlingen er enkel, eller lav grovere stykker og brug en meget præcis samlingsproces, der kompenserer for mangler i dimensioner.

Bearbejdning skaber dele med ekstremt præcise dimensioner, men det kan ikke laves billigt, eller i nogle tilfælde lave overhovedet, de mærkelige 3-D printede designs, der kan have fordele i funktion og vægt. Additiv fremstilling danner materialet - polymer, keramik eller metal – det skaber samtidig en del. Der forskes løbende i, hvordan det påvirker materialers egenskaber, og om ændringer i egenskaber har betydning for en bestemt anvendelse.

Design, imidlertid, er et separat spørgsmål.

Udvidet detaljevisning af teleskopet skabt af et Sandia National Laboratories-team ved hjælp af additive fremstillingsteknikker. Kredit:Sandia National Laboratories

"Kan vi designe et system, der er ligeglad, hvis dit materiale ikke er så godt, som du havde forventet? sagde Winrow. "Hvis du gør dig selv ufølsom over for de ting, som additivet ikke er særlig godt til, du udnytter alle dets gode ting."

For eksempel, et standardkamera har en afsats, hvilket skal være meget præcist, fordi placeringen af ​​den afsats definerer præcis, hvor en linse sidder. Sandias projekt, arbejde med linser til teleskopet, skabt en lige cylinder uden afsatser. I stedet, "vi holder linsen i en meget præcis position ved hjælp af meget præcis værktøj. Vi holder linsen på det rigtige sted, og så sprøjter vi epoxy rundt om den og låser den på plads, "Winrow sagde." Vi kan lave dele, der er mindre præcise hvad angår dimensioner på grund af epoxy i processen. Det er værktøjet, der er præcist."

Sandia ansøgte om patent på en monolitisk, titanium flexure, der er en del af teleskopets spejlmontering. En bøjning refererer til en bred vifte af elementer, der bruges som samlinger mellem stive legemer. Den fælles bevægelse, enten lineær eller roterende, fremstilles ved at bøje elementet. Fast montering af metal på glas virker ikke, fordi de to materialer udvider sig og trækker sig sammen med forskellige hastigheder, når temperaturen ændres, og glasset kan deformeres eller endda revne.

En bøjning fungerer som en fjeder, selvom det ikke ligner en spiralfjeder. Sandias design er nogenlunde cylindrisk, omkring 2 tommer lang og 3/4 tomme i diameter, med meget tynde bøjningsblade. Tre fleksible monteringer fastgøres til spejlene med epoxy, lindring af ekspansion og sammentrækningsspænding, hvor spejle fastgøres til en kulfiberstamme.

Softwarekorrektion resulterer i en klar, skarpt billede fra originalen taget med et teleskop skabt af et Sandia National Laboratories-team ved hjælp af additive fremstillingsteknikker. Kredit:Sandia National Laboratories

Sandia søger patent på stykke designet under projektet

Det præcisionsmekaniske designteam arbejdede på projektet med Sandias optiske designer Jeff Hunt og algoritmeforfatterne Dennis Lee og Eric Shields. Winrow sagde, at objektivdesignet skaber et råt billede med forvrængninger og andre fejl. Softwarealgoritmerne retter visse typer fejl bedre end andre, så fejl i objektivdesignet er den type algoritmerne er gode til at rette, han sagde.

"Tanken var, at du kunne have mindre præcis optik og korrigere det med software, i det væsentlige efter kendsgerningen. På samme måde som vi designede det mekaniske hardware til at være ufølsomt over for mangler ved additiv fremstilling og drage fordel af dets fordele, Jeff optimerede systemets optik, så softwaren fastholdt billedegenskaberne, som algoritmerne ikke kunne have udført et så godt stykke arbejde med at korrigere, "Winrow sagde." Du kunne få den samme ydelse, som du kunne have, hvis du brugte tre gange så mange penge på bedre optik. "

Projektet er afsluttet, men Sandia strukturelle designere bruger nu information fra det, han sagde.

"Det var det, projektet så på, hvordan disse måder kunne gøre det hurtigere og billigere og lige så godt, " sagde Winrow. "Hvis du taler om ting, du kan opgive, ting du kan kompensere for efterfølgende, det åbner riger på designsiden."


Varme artikler