Lettere belastningen

Jo tungere et fly er, jo mere brændstof det har brug for for at blive under flyvningen. Hver eneste del øger flyets samlede vægt, fra vingerne til motorerne til boltene, der holder alt sammen. De mange dele, der udgør et køretøj, er traditionelt fremstillet ved hjælp af forskellige bearbejdningsprocesser, hvor råvarer skæres i deres ønskede endelige former. Imidlertid, traditionelle bearbejdningsprocesser som fræsning eller slibning er begrænsede, når det kommer til at optimere former til den laveste vægt. Disse traditionelle bearbejdningsmetoder har ført til, at producenter har skabt mange separate dele, der passer sammen - men det behøver ikke at være tilfældet.

Kate Whitefoot, en adjunkt i maskinteknik og teknik og offentlig politik, og Levent Burak Kara, professor i maskinteknik, udvikler metoder, der gør det muligt for producenter at konsolidere diskrete dele, ved at tage flere forskellige størrelser og redesigne dem til en enkelt del. Denne kontinuerlige del kunne derefter være 3D-trykt i metal.

Additiv fremstilling, også kendt som 3D-udskrivning, giver mulighed for fremstilling af nye former, der ikke tidligere kunne fremstilles. Som medlemmer af Carnegie Mellons NextManufacturing Center, Whitefoot og Kara bruger additiv fremstilling til at forestille sig, hvad der er muligt, når de opretter komponentdele.

"Hvad konsolidering af dele tillader os at gøre, er monolitisk at lave komponenter, der normalt skulle samles, "siger Whitefoot." Dette kan reducere omkostningerne forbundet med at lave disse dele betydeligt, og muligvis også give os betydelige vægtbesparelser. Så det er noget, som producenterne virkelig er interesserede i, især i brancher som luftfart og bilindustri. "

Ved at samle flere forskellige størrelser i en del, Whitefoot kan reducere antallet af fastgørelseselementer, fjerne parringsflader, der er forbundet med delene, og monolitisk udskrive disse dele. Under visse betingelser, dette kan gøre dem stærkere end flere dele, der var, for eksempel, svejset sammen.

Ved at redesigne geometrien af ​​delene for yderligere at reducere vægten, Whitefoot's forskning kan revolutionere mange industrisektorer - især rumfart og bilindustri. Når delkonsolidering udnyttes til at sænke produktionsomkostningerne i forbindelse med processen, additiv fremstilling bliver mere omkostningskonkurrencedygtig med mere traditionelle fremstillingsmetoder. Ved at konsolidere dele, Whitefoot og Kara reducerer ikke kun produktionsomkostninger og vægtbesparelser, men også betydeligt reducere den tid, der bruges på at udskrive bygningen.

En af grundene til, at dette er så attraktivt i rumfartsektoren, er fordi pund direkte oversætter til brændstofforbrug i hele flys levetid. Hver ounce, der spares ved at optimere en parts størrelse og vægt, kan hjælpe med at opveje det brændstofforbrug, derved reducere omkostninger og miljøpåvirkninger.

"Hvis vi kan bruge disse metoder til at reducere produktionsomkostningerne betydeligt, så ville mange flere industrier kunne adoptere additiv og derefter drage fordel af de ydelsesfordele, det kan medføre, "siger Whitefoot, "som inkluderer åbning af designrummet og potentielt kan forårsage betydelige vægtbesparelser, har enorme omkostninger og miljømæssige fordele, når det kommer til applikationer, hvor vi oversætter til brændstofforbrug. "

At kunne fusionere dele og producere dem som en enkelt monolitisk del er et kæmpe spring for fremstilling af dele, men forskerne vil tage det et skridt videre - mod automatisk redesign. Whitefoot arbejder sammen med Kara for at automatisere optimeringen af ​​metaldelformer, der er skabt gennem additiv fremstilling - minimering af vægten af ​​disse dele, samt produktionsomkostningerne.

"Med fremskridt inden for additiv fremstilling, nu kan vi fremstille mere komplekse geometrier, "siger Kara." En ting, der gør additiv topologioptimering attraktiv, er, at vi nu kan fremstille dele, der kun var teoretisk mulige før. Inden for delene, komplekse interne geometrier kan fremstilles for at minimere den samlede masse af delen, samtidig med at strukturen kan modstå alle de ydre kræfter, der påføres den, såvel som en traditionelt bearbejdet del kunne. "

Whitefoot og Kara udvikler metoder, der muliggør automatisk optimering af dele. Med denne forskning, en producent kunne uploade en CAD -fil med et sæt dele, og disse metoder ville automatisk måle den optimale måde, hvorpå dette sæt dele skulle konsolideres.

"At tage flere dele og automatisk være i stand til at syntetisere dem til en unik geometrisk del, var måske ikke før muligt, "Kara tilføjer, "men med additiv fremstilling, vi kan nu ikke kun optimere til den bedste kombination af disse dele, vi kan faktisk skabe de dele, der var umulige at skabe med traditionelle bearbejdningsmetoder. "

Whitefoot og Kara gennemgår i øjeblikket et første etårigt projekt med Boeing for at demonstrere gennemførligheden af ​​de metoder, de har udviklet. På det kommercielle marked, det tager tid at gå fra at have en brugbar metode på forskningsstadiet til egentlig erhvervslivsevne-men forskerne forudser, at denne teknologi kan være kommercielt tilgængelig inden for en femårig tidshorisont.

"Vi gør dette for at hjælpe additive produktionsingeniører og designere med at strømline processen med at skabe mere automatiserede værktøjer, "siger Whitefoot, "så additivt design kan virkelig flytte fra en kunst til en videnskab."