Dieses 3D

Das 3D-gedruckte Mikroturbinentriebwerk, das vom Technion – Israel Institute of Technology und PTC entwickelt wurde … [+] Software hier im Ausschnitt, der die innere Struktur zeigt.

Ein Aspekt der Funktionsweise des industriellen 3D-Drucks, der zunächst schwer zu verstehen ist, ist seine Fähigkeit, Teile innerhalb anderer Teile zu bauen. Ein Metall-3D-Drucker erstellt ein Objekt in einer hauchdünnen horizontalen Schicht nach der anderen. Stellen Sie sich also den 3D-Druck eines Gegenstands wie einer Kette vor. Es ist bereits in komplett durchgezogenen Kreisen aufgebaut. Im Gegensatz dazu werden bei der traditionellen Fertigung einzelne Glieder zunächst gerade, dann gebogen und einzeln zusammengefügt, was langsamer und arbeitsintensiver ist und an jedem Glied Schwachstellen aufweist. Es ist das gleiche uralte Herstellungsprinzip für Schmuck wie für Ketten, die die Anker von Marineschiffen halten.

Die Fähigkeit des 3D-Drucks, Objekte wie eine bereits verbundene Kette herzustellen, stellt die Art und Weise, wie Dinge schon immer hergestellt wurden, auf den Kopf. Es bietet Ingenieuren neue Designfreiheit, unabhängig von den Einschränkungen der traditionellen Fertigung.

Um diesen Punkt deutlich zu machen, stellte das Softwareunternehmen PTC letzten Monat bei seiner Produkteinführungsveranstaltung in Boston, Massachusetts, ein vollständig 3D-gedrucktes – in einem Stück gefertigtes – Strahltriebwerk vor, das ein weitaus komplexeres 3D-gedrucktes Teil als ein Kettenglied verwendete.

Dieses in Iconel 3D-gedruckte 8-Pfund-Mikroturbinentriebwerk, das hier aufgeschnitten gezeigt wird, um die inneren ... [+] Strukturen freizulegen, könnte die Zukunft wirtschaftlicherer UAVs sein.

Die Motorbaugruppe wird vollständig zusammengebaut geboren

Das Mikroturbinentriebwerk wiegt etwa acht Pfund und wird als einzelne Komponente in 3D gedruckt, einschließlich aller rotierenden und stationären Teile auf einmal. Obwohl es von außen solide aussieht, befinden sich im Inneren Gitterstrukturen zur Minimierung des Gewichts und Kanäle, um den Luft- und Kraftstofffluss zu ermöglichen. Im Gegensatz dazu besteht eine typische Mikroturbine aus mehr als 33 Teilen, die einzeln bearbeitet und dann zusammengebaut werden.

„Außer dem Gehäuse sind eigentlich keine weiteren Komponenten erforderlich, damit dieser Motor funktioniert“, sagt Steve Dertien, Chief Technology Officer von PTC. „Alles andere, von den Lagern über die Dichtung bis zur Kühlung, ist integriert.“

Laut PTC würde dieser additiv gedruckte Motor wie jeder andere Mikroturbinenmotor starten, obwohl er auf diese Weise noch nicht getestet wurde. Da es sich um ein nichtkommerzielles Forschungsprojekt handelt, plant PTC nicht, dieses spezielle Triebwerk zu verkaufen, aber es gibt keinen Mangel an Unternehmen, die kompakte Turbinen für Anwendungen wie leichtere, mittelgroße UAVs erschwinglicher machen möchten.

„Heutzutage erfordern Mikroturbinentriebwerke komplexe Montageprozesse für viele teure Teile, was die Kunden direkt ins Fadenkreuz von Lieferkettenabhängigkeiten, begrenzter Verfügbarkeit und der Tatsache bringt, dass ihre Hersteller über das richtige Fachwissen der Mitarbeiter verfügen, um Baugruppen fertigzustellen“, sagte PTC bei der Produkteinführung.

Ein monolithisches, 3D-gedrucktes Mikroturbinentriebwerk kann die Kosten drastisch senken, die Produktion beschleunigen und neue Effizienzen einführen, die mit herkömmlich hergestellten Triebwerken nicht möglich sind.

Beim 3D-Druck, auch additive Fertigung genannt, sind keine Werkzeuge zum Formen oder Bearbeiten von Teilen erforderlich. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, Teile zu schweißen oder zu verbinden, was zu Schwachstellen führen kann. Und es besteht auch die Möglichkeit der On-Demand-Fertigung vor Ort, da keine Komponenten von woanders hergeschickt werden müssen oder qualifizierte Arbeitskräfte zur Verfügung stehen müssen.

„Wenn der Motor nur aus einer Einheit besteht, ist die Herstellung und der Austausch günstig“, sagt Dertien. „Sie müssen nicht über Ersatzteile nachdenken. Wenn er kaputt geht, drucken Sie einen neuen.“

Der Druck des Motors auf einem Metall-Laser-Pulverbett-Fusion-3D-Drucker von EOS (Modell M300) mit Inconel als Material dauerte 13 Stunden. Inconel ist ein extrem starkes und hitzebeständiges Metall, das sehr schwer zu bearbeiten ist und daher in der traditionellen Fertigung oft nur für die Abgasteile eines Turbinentriebwerks verwendet wird.

Dieses spezielle Mikroturbinentriebwerk soll ein ikonisches Teil sein, das das Mögliche demonstriert, sagt Dertien. „Das Ziel von Uber war es, etwas Außergewöhnliches, aber Zugängliches zu schaffen.“

Natürlich ist PTC kein Hersteller von Metalladditiven. Es macht Software.

Das Motorprojekt war eine Partnerschaft mit Forschern am Technion – Israel Institute of Technology. Wenn sie ein funktionsfähiges Strahltriebwerk entwickeln und in 3D drucken könnten – eines der komplexesten Maschinenteile, die es gibt, wenn man die Leistungsanforderungen für den Betrieb und die Komplexität der Komponenten berücksichtigt – würde dies zeigen, wie Ingenieure die Herstellung dieser Art von Triebwerken mithilfe fortschrittlicher Technologien neu überdenken können Software, die additive Fertigung versteht.

„Die additiv gedruckte Engine ist ein Höhepunkt der letzten fünf bis sechs Jahre, in denen additive Konstruktionswerkzeuge in CAD-Software (Computer Aided Design) integriert wurden“, sagt Dertien. „Es repräsentiert den neuesten Stand der Möglichkeiten der additiven Fertigung, und einige dieser Funktionen wären noch vor wenigen Jahren undenkbar gewesen.“

Creo ist der Name der Design- und Engineering-Softwareplattform von PTC mit Tools speziell für die Integration von Konstruktionsarten und Teilemerkmalen, die nur mit additiver Fertigung möglich sind. Dennoch sind diese Tools für Ingenieure, die die Software für ihre tägliche Arbeit nutzen, oft ein Rätsel.

Die Engineering-Software Creo von PTC umfasst Funktionen wie dieses Gitterdesign-Tool, das es … [+] Ingenieuren ermöglicht, leichtere Teile für die additive Fertigung zu konstruieren.

Die additive Metallfertigung sei erst ein paar Jahrzehnte alt, bemerkt Dertien, daher hätten Ingenieure möglicherweise nichts davon in der Schule gelernt, und außerdem habe sich viel verändert. Engineering-Software wie Creo kann die Wandstärke berechnen, die die Turbine haben sollte, um dem erwarteten Druck standzuhalten, sie kann die ideale Gitterstruktur für die Innenwände generieren und sie kann berücksichtigen, dass das Teil in 3D gedruckt wird, sodass sie möglicherweise Ideen liefert zum Konsolidieren von Teilen.

In vielerlei Hinsicht war die Konstruktionssoftware der additiven Fertigung voraus. Die Möglichkeit, Teile speziell für die additive Fertigung zu entwerfen, ist vorhanden, aber die Anwendung hinkt etwas hinterher, abgesehen von Raketentriebwerken, medizinischen Implantaten und Konzeptprojekten wie dem Czinger21C Hypercar.

Creo gehört zu einer Reihe von CAD- und Engineering-Softwareprogrammen, darunter Fusion 360 von Autodesk, NX von Siemens, nTop und CATIA von Dassault Systèmes, und hofft, durch die Bereitstellung der Designtools, die dies ermöglichen, die Akzeptanz der additiven Fertigung voranzutreiben.

PTC möchte, dass Ingenieure „additiv denken“ und die Eigenschaften der Technologie auf Motoren, Satelliten, Autos und unzählige andere komplexe Baugruppen anwenden.

Creo und ähnliche Softwareplattformen umfassen heute komplexe Algorithmen, um die Designs eines Produkts basierend auf seinen Größen- und Gewichtsbeschränkungen zu optimieren. Produkte können als Spezifikationen dessen beginnen, was sie erreichen sollen, und nicht als Einschränkungen hinsichtlich der Art und Weise, wie sie gebaut werden müssen. Die Sammlung von Prozessen und Werkzeugen zum Entwerfen eines Teils für den 3D-Druck wird DfAM genannt, Design für additive Fertigung.

Bei der Konstruktion der Strahltriebwerksbaugruppe nutzten PTC-Ingenieure unter der Leitung von Dr. Ronen Ben Horin, Vizepräsident für Technologie bei PTC und leitender Forschungsmitarbeiter am Technion, und Beni Cukurel, außerordentlicher Professor für Luft- und Raumfahrt am Technion, Creo nicht nur entwerfen, sondern auch die Leistung des Motors simulieren. Das Projekt dauerte etwa zwei Jahre und läuft noch. Laut Dertien wird die nächste Iteration der Mikroturbine die Fertigung noch effizienter machen.

Andere Hersteller, darunter das in Kalifornien ansässige Unternehmen Sierra Turbines, streben ebenfalls nach der monolithischen, 3D-gedruckten, wirtschaftlichen und effizienten Mikroturbine, die durch DfAM-Softwaretools ermöglicht wird.

Der Wettbewerb um bessere Motoren, Maschinen und Robotik, die nicht durch die Art und Weise eingeschränkt werden, wie Dinge schon immer hergestellt wurden, treibt weiterhin die Einführung der additiven Fertigung voran.