3D-printen opent ontwerpmogelijkheden waar ingenieurs ooit alleen maar van konden dromen.

De technologie stelt fabrikanten in staat onderdelen te maken met unieke en complexe vormen - onderdelen die conventionele productiemethoden zoals spuitgieten of spuitgieten niet kunnen produceren.

Met 3D-printen, ook wel additieve fabricage genoemd, een machine maakt een onderdeel door materiaal in lagen toe te voegen, het object van de grond af opbouwen. Omdat elke nieuwe laag moet worden ondersteund door de onderliggende laag, er is een limiet aan hoeveel de ene laag in een complex onderdeel boven de andere kan uitsteken. Als resultaat, fabrikanten moeten vaak constructies bouwen om een ​​onderdeel te ondersteunen terwijl het wordt afgedrukt.

"Maar nadat het deel is voltooid, het verwijderen van dat ondersteunend materiaal kan kostbaar zijn, " zegt Xiaoping Qian, een professor werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Wisconsin-Madison. "Deze ondersteunende structuren worden soms opofferingsstructuren genoemd, omdat ze uiteindelijk worden weggegooid, wat materiaal en bouwtijd verspilt."

Verder, het kan moeilijk zijn om toegang te krijgen tot de ondersteuningsstructuur en deze te verwijderen zonder het risico te lopen het voltooide onderdeel te beschadigen.

Om deze problemen aan te pakken, Qian heeft een methode bedacht die de hoeveelheid ondersteunend materiaal die nodig is om componenten te bouwen met 3D-printen aanzienlijk vermindert - en, in sommige gevallen, kan zelfs de noodzaak van ondersteunende structuren helemaal wegnemen.

"Traditioneel, de ondersteuningsstructuur wordt gecreëerd door simpelweg rekening te houden met de geometrie van het onderdeel, en vervolgens de kolommen maken die nodig zijn voor ondersteuning, " zegt Qian. "Maar dit is niet geoptimaliseerd."

Zijn methode stroomlijnt de ondersteuningsstructuur met behulp van computationele modelleringstools. Door fabrikanten in staat te stellen zo min mogelijk dragermateriaal te gebruiken, de aanpak levert snellere bouwtijden op, evenals kostenbesparingen op materiaal.

De technieken van Qian zijn breed toepasbaar voor een breed scala aan additieve fabricagetechnologieën. Tot dusver, hij heeft de voordelen van zijn aanpak aangetoond met behulp van gesmolten depositiemodellering en 3D-geprinte metalen onderdelen met behulp van een laserpoederbedfusieproces. Bij een project is hij gebruikte zijn technieken om een ​​onderdeel te ontwerpen waarvoor 43 procent minder ondersteunend materiaal nodig was dan zou worden gebruikt in het traditionele additieve fabricageproces met standaard commerciële ontwerpsoftware.

Deze nieuwe aanpak kwam voort uit Qian's interesse in het verkennen van manieren om de structurele prestaties en functionaliteit van onderdelen te verbeteren door gebruik te maken van de ontwerpflexibiliteit die additive manufacturing biedt. Bijvoorbeeld, hij heeft onderdelen ontworpen met componentvormen en topologieën die zijn geoptimaliseerd om warmte af te voeren. Dergelijke onderdelen zouden nuttig zijn voor veel toepassingen die een koellichaam vereisen, ook in elektronica.

De logische volgende stap was het optimaliseren van de draagstructuur van de onderdelen. "Verrassend genoeg, we hebben niemand anders gezien die topologie-optimalisatie probeerde te gebruiken om dit te bereiken, ' zegt Qian.

Hij zegt dat een 3D-geprint onderdeel over het algemeen ondersteuning nodig heeft als er gebieden zijn waar het oppervlak schuin naar beneden gericht is.

Echter, in het topologie-optimalisatieproces, ingenieurs leveren eerst vereisten voor het onderdeel en de algemene ontwerpdoelen - en vervolgens voert een computerprogramma analyses uit en genereert het ideale componenttopologieën.

"Dus de uitdaging is als u de geometrie van het onderdeel niet van tevoren weet, hoe zou je dan de oppervlaktehelling weten en of je ondersteuning nodig hebt of niet?" zegt Qian.

Dat is waar zijn doorbraak komt - op een manier die enigszins lijkt op het voorspellen van de toekomst.

Qian ontwikkelde een methode voor het berekenen van de hoeveelheid oppervlakte van een onderdeel dat ondersteuning nodig heeft, zonder van tevoren de uiteindelijke geometrie van het onderdeel te kennen. Hij zegt dat de sleutel was het definiëren van een nieuwe meting, de geprojecteerde ondersneden omtrek. "Als je deze nieuwe meting berekent, het komt in wezen overeen met het gebied dat ondersteuning nodig heeft, " hij zegt.

Door de nieuwe maatstaf op te nemen in zijn computermodellen, Qian kan bij het ontwerpen van een onderdeel de hoeveelheid en de hoek van de overhang regelen, waardoor de ondersteuningsstructuur wordt geminimaliseerd of zelfs geëlimineerd.

Als resultaat, bijvoorbeeld, hij kan een onderdeel ontwerpen dat is geoptimaliseerd om zoveel mogelijk warmte af te voeren zonder dat er een ondersteunende structuur nodig is om te produceren.

Het ontwerpen van dergelijke volledig zelfdragende onderdelen is een actief onderzoeksgebied voor Qian, en zijn werk komt ten goede aan fabrikanten die niet alleen geld willen besparen op materialen en onderdelen in minder tijd willen fabriceren, maar ook nieuwe soorten onderdelen willen creëren met meer functionaliteit.