Strato per strato

Le parti dei motori a reazione devono resistere a forze e temperature sbalorditive e devono essere il più leggere possibile per risparmiare carburante. Ciò significa che è complesso e costoso realizzarli: i tecnici della General Electric saldano insieme fino a 20 pezzi di metallo separati per ottenere una forma che mescoli in modo efficiente carburante e aria in un iniettore di carburante. Ma per un nuovo motore in uscita il prossimo anno, GE pensa di avere un modo migliore per realizzare iniettori di carburante: stampandoli.

Per farlo, un laser traccia la forma della sezione trasversale dell'iniettore su un letto di polvere di cromo-cobalto, fondendo la polvere in forma solida per costruire l'iniettore uno strato ultrasottile alla volta. Questo promette di essere meno costoso dei metodi di produzione tradizionali e dovrebbe portare a una parte più leggera, vale a dire una migliore. Le prime parti andranno nei motori a reazione, afferma Prabhjot Singh, che gestisce un laboratorio presso GE che si concentra sul miglioramento e sull'applicazione di questo e di processi di stampa 3D simili. Ma, aggiunge, non c'è un giorno in cui non abbiamo notizie da una delle altre divisioni di GE interessate a utilizzare questa tecnologia.

Questa storia faceva parte del nostro numero di gennaio 2012

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Queste innovazioni sono all'avanguardia di un cambiamento radicale nella tecnologia di produzione che è particolarmente interessante in applicazioni avanzate come l'aerospaziale e le automobili. Le tecniche di stampa 3D non solo renderanno più efficiente la produzione di parti esistenti. Consentiranno inoltre di produrre cose che non erano nemmeno concepibili prima, come parti con forme complesse e scavate che riducono al minimo il peso senza sacrificare la forza. A differenza dei processi di lavorazione, che possono lasciare fino al 90% del materiale sul pavimento, la stampa 3D non lascia praticamente alcuno spreco, una considerazione enorme con metalli costosi come il titanio. La tecnologia potrebbe anche ridurre la necessità di immagazzinare parti nell'inventario, perché è altrettanto facile stampare un'altra parte, o una versione migliorata di essa, 10 anni dopo la creazione della prima. Un produttore di automobili che riceve segnalazioni di un guasto al meccanismo di una cintura di sicurezza potrebbe avere una versione riconfigurata in arrivo ai concessionari entro pochi giorni.

La produzione additiva, come è anche nota la stampa 3D, è emersa a metà degli anni '80 dopo che Charles Hull inventò quella che chiamò stereolitografia, in cui lo strato superiore di una pozza di resina viene indurito da un laser ultravioletto. Vari metodi di stampa 3D sono diventati popolari tra gli ingegneri che desiderano creare prototipi di nuovi progetti o realizzare alcune parti altamente personalizzate: possono creare un progetto 3D di una parte in un programma di progettazione assistita da computer e quindi ottenere un stampante per sputarlo fuori ore dopo. Questo processo evita i costi iniziali, i lunghi tempi di consegna e i vincoli di progettazione delle tradizionali tecniche di produzione ad alto volume come lo stampaggio a iniezione, la fusione e lo stampaggio. Ma la tecnologia è stata adattata solo a una serie limitata di materiali e ci sono state domande sul controllo di qualità. Anche la costruzione di parti in questo modo è stata lenta: può volerci un giorno o più per fare ciò che la produzione tradizionale può realizzare in minuti o ore. Per questi motivi, la stampa 3D non è stata utilizzata per tirature molto grandi di parti di produzione.

Ma ora la tecnologia sta avanzando abbastanza per i cicli di produzione in mercati di nicchia come i dispositivi medici. Ed è pronto a entrare in diverse applicazioni più grandi nei prossimi anni. Siamo arrivati ​​al punto in cui si stanno verificando progressi sufficienti per rendere la tecnologia veramente utile nella produzione di parti per uso finale, afferma Tim Gornet, che gestisce il Rapid Prototyping Center presso l'Università di Louisville.

Premendo stampa : Questa foto mostra una serie di componenti di motori a reazione in metallo stampati presso GE.

FARE INCROCI

Diverse tecniche possono essere utilizzate per stampare un oggetto solido strato per strato. Nella sinterizzazione, un sottile strato di metallo in polvere o materiale termoplastico viene esposto a un raggio laser o di elettroni che fonde il materiale in un solido in aree designate; poi si stende un nuovo strato di polvere sopra e si ripete il processo. Le parti possono anche essere costruite con plastica riscaldata o metallo estruso o spruzzato attraverso un ugello che si muove per creare la forma di uno strato, dopo di che un altro strato viene depositato direttamente sopra e così via. In un altro metodo di stampa 3D, la colla viene utilizzata per legare le polveri.

Le aziende aerospaziali sono in prima linea nell'adozione della tecnologia, perché gli aeroplani spesso necessitano di parti con geometrie complesse per soddisfare i difficili requisiti di flusso d'aria e raffreddamento in compartimenti bloccati. Secondo Terry Wohlers, un consulente di produzione specializzato in processi additivi, circa 20.000 parti realizzate mediante sinterizzazione laser stanno già volando su aerei militari e commerciali realizzati da Boeing, inclusi 32 diversi componenti per i suoi aerei 787 Dreamliner. Questi non sono articoli che devono essere prodotti in serie; Boeing potrebbe farne qualche centinaio tutto l'anno. Inoltre, non sono fondamentali per il volo; tra questi ci sono i condotti dell'aria di forma elaborata necessari per il raffreddamento, che in precedenza dovevano essere realizzati in più pezzi. Ora possiamo ottimizzare il design di queste parti in base al peso e risparmiare materiale e manodopera, afferma Mike Vander Wel, direttore del gruppo di strategia per la tecnologia di produzione di Boeing. In teoria, questo è il metodo di produzione definitivo per noi. Sebbene i limiti di velocità della stampa 3D potrebbero impedirle di produrre la maggior parte delle parti di Boeing, afferma Vander Wel, è probabile che l'approccio venga utilizzato in una proporzione crescente di esse.

Il principale rivale di Boeing, la European Aeronautic Defence and Space Company (EADS), sta utilizzando la tecnologia per realizzare parti in titanio nei satelliti e spera di utilizzarla per parti che produce in volumi più elevati per gli aerei Airbus. Non sappiamo ancora quale sarà la portata del nostro uso della produzione a strati additivi, ma non vediamo alcun ostacolo allo spettacolo, afferma Jon Meyer, che dirige la ricerca sulla stampa 3D presso la divisione Innovation Works di EADS in Inghilterra.

Scala più piccola : Ecco una microstampante che GE utilizza per testare nuovi modi di costruire oggetti con materiali ceramici. I ricercatori stanno utilizzando la macchina per stampare i trasduttori utilizzati come sonde nelle macchine ad ultrasuoni; credono che possa far risparmiare tempo e denaro migliorando il design.

La divisione motori a reazione di GE potrebbe essere più vicina di chiunque altro a portare le parti stampate in 3D nella produzione commerciale su larga scala. Oltre all'iniettore di carburante, GE sta anche sinterizzando al laser il titanio in forme complesse per strisce lunghe quattro piedi incollate sul bordo anteriore delle pale della ventola. Queste strisce deviano i detriti e creano un flusso d'aria più efficiente. Finora, ognuna ha richiesto decine di ore di forgiatura e lavorazione, durante le quali si è perso il 50 percento del titanio. Passando alla stampa 3D, l'azienda risparmierà circa $ 25.000 in manodopera e materiale in ciascun motore, stima Todd Rockstroh, l'ingegnere consulente di GE che guida lo sforzo. Il bordo della lama e l'iniettore di carburante inizieranno ad apparire nei motori già nel 2013 e saranno integrati nelle serie di produzione su vasta scala a migliaia entro il 2016.

Nel frattempo, afferma Rockstroh, l'azienda spera di ottenere flessibilità di progettazione utilizzando la stampa 3D per più parti. Quando ha scoperto di recente che uno stelo nell'iniettore di carburante era soggetto a livelli eccessivi di stress termico, una versione riprogettata è uscita dalla stampante entro una settimana. Prima, avremmo dovuto riprogettare 20 parti diverse, con tutti gli strumenti associati, afferma Rockstroh. Potrebbe anche non essere stato possibile. E l'utilizzo della stampa 3D per ondulare l'interno di alcune parti può ridurne il peso fino al 70%, il che può far risparmiare a una compagnia aerea milioni di galloni di carburante ogni anno. Questa prospettiva ha portato GE alla ricerca di modi per stampare qualsiasi cosa, dagli alloggiamenti del cambio ai meccanismi di controllo. L'anno prossimo faremo una grande caccia al tesoro per la riduzione del peso, dice Rockstroh.

Allo stesso modo, le automobili potrebbero trarre vantaggio da parti più leggere e Gornet dell'Università di Louisville osserva che i processi di stampa potrebbero ridurre di almeno la metà il peso di valvole, pistoni e iniettori di carburante. Alcuni produttori di auto di lusso e ad alte prestazioni, tra cui Bentley e BMW, stanno già utilizzando la stampa 3D per parti con cicli di produzione di centinaia.

Lucidato : Un trasduttore realizzato nella microstampante GE (in alto) e lo stesso trasduttore dopo essere stato rifinito e rifinito in altre macchine (in basso).

SFIDE DA VINCERE

Se non fosse per i limiti della tecnologia, la stampa 3D sarebbe già molto più ampiamente utilizzata. Le velocità sono atrocemente lente in questo momento, afferma Singh di GE. Todd Grimm, a capo di una società di consulenza sulla produzione additiva a Edgewood, nel Kentucky, stima che il tempo necessario per produrre una parte dovrà aumentare di cento volte se la stampa 3D deve competere direttamente con le tecniche di produzione convenzionali nella maggior parte delle applicazioni . Ciò non accadrà nei prossimi anni.

Un altro problema: per ora, nella stampa 3D è possibile utilizzare solo una manciata di composti di plastica e metallo. Nella sinterizzazione laser, ad esempio, il materiale deve essere in grado di formare una polvere che si scioglierà perfettamente quando viene colpito con un laser e quindi si solidifica rapidamente. I composti che soddisfano i criteri necessari possono costare da 50 a 100 volte in peso rispetto alle materie prime utilizzate nei processi di produzione convenzionali, in parte perché sono così bassi da essere disponibili solo da piccoli fornitori specializzati.

Con l'aumento della domanda con le nuove applicazioni, tuttavia, la concorrenza dei fornitori dovrebbe far scendere drasticamente i prezzi. E l'elenco dei materiali disponibili si sta lentamente espandendo. GE sta cercando di utilizzare la ceramica, che aprirebbe nuove possibilità nei motori e nei dispositivi medici, tra le altre aree.

Anche la semplice esperienza farà molto per migliorare la tecnologia. Finora, i produttori non dispongono di dati sufficienti per prevedere esattamente come risulterà una parte e come reggerà, o come le variabili di produzione, tra cui temperatura, scelta del materiale, forma della parte e tempo di raffreddamento, influenzano i risultati. Ciò può essere frustrante, afferma Singh: la stampa 3D spesso finisce per essere un'arte nera. Una parte è composta da migliaia di strati e ogni strato è una potenziale modalità di guasto. Ancora non capiamo perché una parte esce in modo leggermente diverso su una macchina rispetto a un'altra, o anche sulla stessa macchina in un giorno diverso. Ad esempio, il processo di stratificazione tende a creare sollecitazioni tra gli strati in modi imprevedibili, in modo che alcune parti finiscano per essere distorte. La porosità può variare anche all'interno delle parti, portando a preoccupazioni per affaticamento o fragilità. Questo potrebbe essere un grosso problema nei motori degli aerei o nei montanti alari. Sappiamo come rendere i metalli abbastanza forti, afferma Vander Wel di Boeing. Ma ci preoccupiamo per l'imprevedibilità. Possiamo ripetere un risultato per ottenere 100 parti esattamente uguali? Non siamo ancora sicuri.

Anche con queste sfide, il tempo è dalla parte della stampa 3D, afferma Vander Wel, e non solo perché i processi stanno migliorando. Gli ingegneri sono comprensibilmente riluttanti ad abbracciare una nuova tecnologia per le parti critiche quando sono in gioco le loro scadenze e la loro reputazione, per non parlare della vita delle persone negli aeroplani. Ma i designer più giovani si stanno adattando più rapidamente, dice. Non sono così veloci nel dire: 'Non può essere costruito in questo modo'.

David H. Freedman, un giornalista scientifico con sede a Boston, ha scritto sull'optogenetica nel numero di novembre/dicembre 2010 di BAMBINI . Il suo ultimo libro è Sbagliato: perché gli esperti continuano a deluderci? .

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