Lager på lager

Delarna i jetmotorer måste tåla häpnadsväckande krafter och temperaturer, och de måste vara så lätta som möjligt för att spara på bränsle. Det betyder att det är komplext och kostsamt att tillverka dem: tekniker på General Electric svetsar ihop så många som 20 separata metallbitar för att uppnå en form som effektivt blandar bränsle och luft i en bränsleinjektor. Men för en ny motor som kommer ut nästa år, tror GE att den har ett bättre sätt att tillverka bränsleinsprutare: genom att skriva ut dem.

För att göra det spårar en laser ut formen på injektorns tvärsnitt på en bädd av kobolt-krompulver, smälter pulvret till fast form för att bygga upp injektorn ett ultratunt lager i taget. Detta lovar att bli billigare än traditionella tillverkningsmetoder, och det borde leda till en lättare del, det vill säga en bättre. De första delarna kommer att gå in i jetmotorer, säger Prabhjot Singh, som driver ett labb på GE som fokuserar på att förbättra och tillämpa denna och liknande 3-D-utskriftsprocesser. Men, tillägger han, det finns inte en dag vi inte hör från någon av de andra divisionerna på GE som är intresserade av att använda den här tekniken.

Den här historien var en del av vårt januarinummer 2012

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Dessa innovationer ligger i framkant av en radikal förändring av tillverkningsteknik som är särskilt tilltalande i avancerade applikationer som flyg och bilar. Teknikerna för 3D-utskrift kommer inte bara att göra det mer effektivt att producera befintliga delar. De kommer också att göra det möjligt att producera saker som inte ens var tänkbara förut – som delar med komplexa, utskurna former som minimerar vikten utan att ge avkall på styrka. Till skillnad från bearbetningsprocesser, som kan lämna upp till 90 procent av materialet på golvet, lämnar 3D-utskrifter praktiskt taget inget avfall – en stor faktor med dyra metaller som titan. Tekniken kan också minska behovet av att lagra delar i lager, eftersom det är lika enkelt att skriva ut en annan del – eller en förbättrad version av den – 10 år efter att den första gjordes. En biltillverkare som får rapporter om ett fel i en säkerhetsbältesmekanism kan ha en omkonfigurerad version på väg till återförsäljare inom några dagar.

Additiv tillverkning, som 3-D-utskrift också kallas, uppstod i mitten av 1980-talet efter att Charles Hull uppfann vad han kallade stereolitografi, där det översta lagret av en pool av harts härdas av en ultraviolett laser. Olika metoder för 3-D-utskrift har blivit populära bland ingenjörer som vill skapa prototyper av ny design eller göra några mycket anpassade delar: de kan göra en 3-D-ritning av en del i ett datorstödt designprogram och sedan få en skrivaren för att spotta ut det timmar senare. Denna process undviker initiala kostnader, långa ledtider och designbegränsningar för konventionella tillverkningstekniker för stora volymer som formsprutning, gjutning och stämpling. Men tekniken har anpassats till endast en begränsad uppsättning material, och det har funnits frågor om kvalitetskontroll. Att bygga delar på detta sätt har också gått långsamt – det kan ta en dag eller mer att göra vad traditionell tillverkning kan åstadkomma på några minuter eller timmar. Av dessa skäl har 3D-utskrift inte använts för mycket stora serier av produktionsdelar.

Men nu går tekniken tillräckligt långt för produktionsserier på nischmarknader som medicintekniska produkter. Och det är redo att bryta in i flera större applikationer under de kommande åren. Vi har kommit till den punkt då tillräckligt många viktiga framsteg sker för att göra tekniken verkligen användbar vid tillverkning av slutanvändningsdelar, säger Tim Gornet, som driver Rapid Prototyping Center vid University of Louisville.

Tryck på print : Det här fotot visar en mängd metall jetmotorkomponenter tryckta hos GE.

GÖR IGENOM

Flera tekniker kan användas för att skriva ut ett fast objekt lager för lager. Vid sintring utsätts ett tunt lager av pulveriserad metall eller termoplast för en laser- eller elektronstråle som smälter samman materialet till ett fast material i angivna områden; sedan läggs en ny beläggning av pulver ovanpå och processen upprepas. Delar kan också byggas upp med uppvärmd plast eller metall extruderad eller sprutad genom ett munstycke som rör sig för att skapa formen av ett lager, varefter ytterligare ett lager avsätts direkt ovanpå, och så vidare. I en annan 3D-utskriftsmetod används lim för att binda pulver.

Flygbolag ligger i framkant när det gäller att ta till sig tekniken, eftersom flygplan ofta behöver delar med komplexa geometrier för att möta knepiga luftflödes- och kylningskrav i blockerade fack. Omkring 20 000 delar gjorda av lasersintring flyger redan i militära och kommersiella flygplan tillverkade av Boeing, inklusive 32 olika komponenter till dess 787 Dreamliner-plan, enligt Terry Wohlers, en tillverkningskonsult som specialiserat sig på additiva processer. Det här är inte föremål som måste massproduceras; Boeing kan göra några hundra av dem hela året. De är inte heller kritiska för flygning; bland dem finns utarbetat formade luftkanaler som behövs för kylning, som tidigare måste tillverkas i flera delar. Nu kan vi optimera utformningen av dessa delar för vikt, och vi sparar material och arbetskraft, säger Mike Vander Wel, chef för Boeings strategigrupp för tillverkningsteknologi. I teorin är detta den ultimata tillverkningsmetoden för oss. Även om hastighetsbegränsningarna för 3D-utskrift kan hindra den från att någonsin producera majoriteten av Boeings delar, säger Vander Wel, tillvägagångssättet kommer sannolikt att användas i en växande andel av dem.

Boeings främsta rival, European Aeronautic Defence and Space Company (EADS), använder tekniken för att tillverka titandelar i satelliter och hoppas kunna använda den för delar som tillverkas i högre volym till Airbus-plan. Vi vet ännu inte hur stor omfattningen av vår användning av tillsatsskiktstillverkning kommer att vara, men vi ser inga visningsstoppar, säger Jon Meyer, som leder forskning om 3-D-utskrift vid EADS:s Innovation Works-division i England.

Mindre skala : Här visas en mikroskrivare som GE använder för att testa nya sätt att bygga saker av keramiska material. Forskare använder maskinen för att skriva ut givare som används som sonder i ultraljudsmaskiner; de tror att det kan spara tid och pengar samtidigt som designen förbättras.

GE:s jetmotordivision kan vara närmare än någon annan att föra in 3-D-printade delar till storskalig kommersiell produktion. Förutom bränsleinjektorn lasersintrar GE också titan till komplexa former för fyra fot långa remsor fästa på fläktbladens framkant. Dessa remsor avleder skräp och skapar ett effektivare luftflöde. Fram till nu har var och en krävt tiotals timmars smide och bearbetning, under vilka 50 procent av titanet gick förlorat. Genom att byta till 3-D-utskrift kommer företaget att spara cirka 25 000 USD i arbete och material i varje motor, uppskattar Todd Rockstroh, GE:s konsultingenjör som leder arbetet. Bladkanten och bränsleinsprutaren kommer att börja dyka upp i motorer redan 2013, och de kommer att integreras i fullskaliga produktionsserier i tusental till cirka 2016.

Samtidigt, säger Rockstroh, hoppas företaget få designflexibilitet genom att använda 3D-utskrift för fler delar. När man nyligen upptäckte att en spindel i bränsleinjektorn utsattes för alltför höga nivåer av värmestress kom en omdesignad version ut ur skrivaren inom en vecka. Förut skulle vi ha behövt designa om 20 olika delar, med alla tillhörande verktyg, säger Rockstroh. Det kanske inte ens var möjligt. Och att använda 3D-utskrift för att korrugera insidan av vissa delar kan minska deras vikt med upp till 70 procent, vilket kan spara ett flygbolag miljontals liter bränsle varje år. Den möjligheten får GE att leta efter sätt att skriva ut allt från växellådshus till kontrollmekanismer. Vi ska ut på en stor viktminskningsjakt nästa år, säger Rockstroh.

Bilar kan på samma sätt dra nytta av lättare delar, och University of Louisvilles Gornet noterar att tryckprocesser kan minska vikten på ventiler, kolvar och bränsleinjektorer med minst hälften. Vissa tillverkare av ultralyxiga och högpresterande bilar, inklusive Bentley och BMW, använder redan 3D-utskrift för delar med hundratals produktionsserier.

Polerad : En givare tillverkad i GE:s mikroskrivare (överst) och samma givare efter att ha förfinats och färdigställts i andra maskiner (nederst).

UTMANINGAR ATT ÖVERVAG

Om det inte vore för teknikens begränsningar skulle 3D-utskrift redan ha använts mycket mer. Hastigheterna är fruktansvärt långsamma just nu, säger GE:s Singh. Todd Grimm, som leder ett konsultföretag för additiv tillverkning i Edgewood, Kentucky, uppskattar att tiden det tar att tillverka en del kommer att behöva förbättras så mycket som hundra gånger om 3-D-utskrift ska kunna konkurrera direkt med konventionell tillverkningsteknik i de flesta applikationer . Det kommer inte att hända de närmaste åren.

Ett annat problem: för närvarande kan bara en handfull plast- och metallföreningar användas i 3D-utskrift. Vid till exempel lasersintring måste materialet kunna bilda ett pulver som smälter prydligt när det träffas med laser och sedan stelnar snabbt. De föreningar som uppfyller de nödvändiga kriterierna kan kosta 50 till 100 gånger så mycket i vikt som de råvaror som används i konventionella tillverkningsprocesser, delvis för att de är i så låg efterfrågan att de bara är tillgängliga från små specialleverantörer.

När efterfrågan ökar med nya applikationer bör dock leverantörskonkurrens dra ner priserna dramatiskt. Och listan över tillgängliga material växer sakta. GE försöker använda keramik, vilket skulle öppna upp nya möjligheter inom bland annat motorer och medicinsk utrustning.

Enkla erfarenheter kommer också att göra mycket för att förbättra tekniken. Än så länge har tillverkarna inte tillräckligt med data för att förutsäga exakt hur en del kommer att bli och hur den kommer att hålla, eller hur produktionsvariabler – inklusive temperatur, materialval, delform och kylningstid – påverkar resultaten. Det kan vara frustrerande, säger Singh: 3D-utskrift slutar ofta som en svart konst. En del är gjord av tusentals lager, och varje lager är ett potentiellt felläge. Vi förstår fortfarande inte varför en del kommer ut lite annorlunda på en maskin än den gör på en annan, eller ens på samma maskin en annan dag. Till exempel tenderar skiktningsprocessen att bygga upp mellanskiktsspänningar på oförutsägbara sätt, så att vissa delar blir förvrängda. Porositeten kan också variera inom delar, vilket leder till oro för trötthet eller sprödhet. Det kan vara ett stort problem i flygplansmotorer eller vingstag. Vi vet hur man gör metallerna tillräckligt starka, säger Boeings Vander Wel. Men vi oroar oss för oförutsägbarheten. Kan vi upprepa ett resultat för att få 100 delar som är exakt likadana? Vi är inte säkra ännu.

Även med dessa utmaningar är tiden på sidan av 3D-utskrift, säger Vander Wel, och inte bara för att processerna förbättras. Ingenjörer är förståeligt nog ovilliga att ta till sig en ny teknik för kritiska delar när deras deadlines och rykte, för att inte tala om människors liv i flygplan, står på spel. Men yngre designers anpassar sig snabbare, säger han. De är inte så snabba med att säga: 'Det kan inte byggas på det här sättet.'

David H. Freedman, en vetenskapsjournalist baserad i Boston, skrev om optogenetik i november/decembernumret 2010 av BARN . Hans senaste bok är Fel: Varför experter fortsätter att svika oss .

Dölj