Een team van Sandia National Laboratories bouwde een telescoop om te demonstreren hoe te ontwerpen voor additive manufacturing, bekend als 3D-printen, om te profiteren van de sterke en zwakke punten van de techniek.

Sandia's driejarige laboratoriumgestuurde onderzoeks- en ontwikkelingsproject bewees de haalbaarheid van het gebruik van additieve fabricage als een geheel nieuwe ontwerptool, heel anders dan de standaardtechniek om van handtekenen naar computerondersteund ontwerp over te gaan naar het machinaal bewerken van onderdelen, zei Ted Winrow, een werktuigbouwkundig ingenieur die het project leidde.

In plaats van zich te concentreren op het printen van precisieonderdelen, het project was gericht op het samenvoegen van minder nauwkeurige 3D-geprinte onderdelen met precieze gereedschappen, profiteren van de snelle prototyping, ontwerp en fabricage mogelijk met additive manufacturing.

"Dat is de nuance die verloren lijkt te gaan, dat je anders moet ontwerpen, "Zei Winrow. "Het past niet in een standaard ontwerpproces."

Het team creëerde een lichter gewicht, goedkopere grondtelescoop in ongeveer een derde van de tijd van een traditioneel gemaakte telescoop voor ongeveer een vijfde van de kosten, hij zei. Ze gebruikten 3D-geprinte componenten, modulair ontwerp en, voor het optische ontwerp van de telescoop, algoritmen voor beeldcorrectie die ook geld hebben bespaard.

De techniek verschuift geld van terugkerende kosten, "waar elk onderdeel precies moet zijn, tot eenmalige kosten, waar je slechts één set gereedschappen koopt die je misschien 10 jaar kunt gebruiken, "Zei Winrow. "Dus als je productieruns maakt, krijg je kostenbesparingen. U bespaart tijd omdat u niet hoeft te wachten tot elk stuk door machinale bewerking is gemaakt.

Exacte toleranties versus nauwkeurige montage

Er zijn twee manieren om een ​​precisieconstructie te bouwen:maak elk stuk met exacte toleranties, zodat de montage eenvoudig is, of maak grovere stukken en gebruik een zeer nauwkeurig montageproces dat tekorten in afmetingen compenseert.

Bewerking creëert onderdelen met uiterst nauwkeurige afmetingen, maar het kan niet goedkoop maken, of in sommige gevallen, helemaal maken, de vreemde 3D-geprinte ontwerpen die voordelen kunnen hebben in functie en gewicht. Additive manufacturing vormt het materiaal:polymeer, keramiek of metaal - het creëert tegelijkertijd een onderdeel. Er wordt onderzocht hoe dat de eigenschappen van materialen beïnvloedt en of veranderingen in eigenschappen van belang zijn bij een bepaald gebruik.

Ontwerp, echter, is een aparte vraag.

"Kunnen we een systeem ontwerpen dat het niet kan schelen als uw materiaal niet zo goed is als u had verwacht? Kunt u een systeem ontwerpen dat het niet uitmaakt dat uw onderdelen niet zo nauwkeurig qua afmetingen zijn?" zei Winrow. "Als je jezelf ongevoelig maakt voor de dingen waar additieven niet zo goed in zijn, je profiteert van al zijn goede dingen."

Bijvoorbeeld, een standaard camera heeft een richel, wat heel precies moet zijn omdat de positie van die richel precies definieert waar een lens zit. Sandia's project, werken met lenzen voor de telescoop, creëerde een rechte cilinder zonder richels. In plaats daarvan, "we houden de lens op een zeer precieze positie met behulp van zeer nauwkeurig gereedschap. We houden de lens op de juiste plek en dan injecteren we er epoxy omheen en vergrendelen deze op zijn plaats, "Zei Winrow. "We kunnen onderdelen maken die qua afmetingen minder nauwkeurig zijn vanwege de epoxy in het proces. Het is de tooling die precies is."

Sandia vroeg patent aan voor een monolithische, titanium buiging die deel uitmaakt van de telescoopspiegelmontage. Een buiging verwijst naar een breed scala aan elementen die worden gebruikt zoals verbindingen tussen stijve lichamen. De gezamenlijke beweging, lineair of roterend, wordt geproduceerd door het element te buigen. Het stevig monteren van metaal op glas werkt niet omdat de twee materialen uitzetten en krimpen met verschillende snelheden als de temperatuur verandert, en het glas kan vervormen of zelfs barsten.

Een buiging werkt als een veer, hoewel het er niet uitziet als een spiraalveer. Sandia's ontwerp is ruwweg cilindrisch, ongeveer 2 inch lang en 3/4 inch in diameter, met zeer dunne buigbladen. Drie buigzame steunen worden met epoxy aan de spiegels bevestigd, het verlichten van uitzettings- en krimpspanning waar spiegels hechten aan een koolstofvezelruggengraat.

Sandia zoekt patent op stuk ontworpen tijdens project

Het precisiemechanische ontwerpteam werkte aan het project samen met optisch ontwerper Jeff Hunt van Sandia en de auteurs van algoritmen Dennis Lee en Eric Shields. Winrow zei dat het lensontwerp een onbewerkt beeld creëert met vervormingen en andere fouten. De software-algoritmen corrigeren bepaalde soorten fouten beter dan andere, dus fouten in het lensontwerp zijn van het type dat de algoritmen goed kunnen corrigeren, hij zei.

"De gedachte was dat je minder nauwkeurige optica zou kunnen hebben en daarvoor met software zou kunnen corrigeren, eigenlijk achteraf. Vergelijkbaar met hoe we de mechanische hardware hebben ontworpen om ongevoelig te zijn voor additieve productietekorten en te profiteren van de voordelen ervan, Jeff optimaliseerde de optica van het systeem, zodat de software de beeldeigenschappen behield die de algoritmen niet zo goed hadden kunnen corrigeren, "Zei Winrow. "Je zou dezelfde prestaties kunnen krijgen als je drie keer zoveel geld zou uitgeven aan betere optica."

Het project is afgelopen, maar structurele ontwerpers van Sandia gebruiken er nu informatie van, hij zei.

"Dat was waar het project naar keek, hoe deze manieren het sneller en goedkoper en net zo goed konden maken, "Zei Winrow. "Als je praat over dingen die je kunt opgeven, dingen die je achteraf kunt compenseren, het opent rijken aan de ontwerpkant."