Hoe zwaarder een vliegtuig is, hoe meer brandstof het nodig heeft om in de lucht te blijven. Elk afzonderlijk onderdeel draagt ​​bij aan het totale gewicht van het vliegtuig, van de vleugels tot de motoren tot de bouten die alles bij elkaar houden. De vele onderdelen waaruit een voertuig bestaat, worden traditioneel gemaakt met behulp van verschillende bewerkingsprocessen waarbij grondstoffen in de gewenste uiteindelijke vorm worden gesneden. Echter, traditionele bewerkingsprocessen zoals frezen of slijpen zijn beperkt als het gaat om het optimaliseren van vormen voor het laagste gewicht. Deze traditionele bewerkingsmethoden hebben ertoe geleid dat fabrikanten veel afzonderlijke onderdelen hebben gemaakt die in elkaar passen, maar dit hoeft niet het geval te zijn.

Kate Witvoet, een assistent-professor werktuigbouwkunde en engineering &openbaar beleid, en Levent Burak Kara, hoogleraar werktuigbouwkunde, ontwikkelen methoden waarmee fabrikanten afzonderlijke onderdelen kunnen consolideren, door meerdere onderdelen van verschillende afmetingen te nemen en ze opnieuw te ontwerpen tot één onderdeel. Dit doorlopende deel zou dan in metaal 3D kunnen worden geprint.

Additieve productie, ook wel 3D-printen genoemd, maakt de productie van nieuwe vormen mogelijk die voorheen niet konden worden geproduceerd. Als leden van Carnegie Mellon's NextManufacturing Center, Whitefoot en Kara gebruiken additive manufacturing om opnieuw te bedenken wat mogelijk is bij het maken van onderdelen.

"Wat de consolidatie van onderdelen ons in staat stelt, is het monolithisch maken van componenten die normaal aan elkaar zouden moeten worden geassembleerd, ", zegt Whitefoot. "Dit kan de kosten voor het maken van die onderdelen aanzienlijk verlagen, en kunnen ons mogelijk ook aanzienlijke gewichtsbesparingen opleveren. Dit is dus iets waar fabrikanten echt in geïnteresseerd zijn, vooral in sectoren als de lucht- en ruimtevaart en de automobielsector."

Door meerdere onderdelen van verschillende grootte in één onderdeel te consolideren, Whitefoot kan het aantal bevestigingsmiddelen verminderen, verwijder pasvlakken die bij de onderdelen horen, en print deze delen monolithisch. Onder bepaalde omstandigheden, dit kan ze sterker maken dan meerdere delen die waren, bijvoorbeeld, aan elkaar gelast.

Door de geometrie van de onderdelen opnieuw te ontwerpen om het gewicht verder te verminderen, Het onderzoek van Whitefoot zou een revolutie teweeg kunnen brengen in veel industriële sectoren, met name de lucht- en ruimtevaart en de auto-industrie. Wanneer deelconsolidatie wordt gebruikt om de productiekosten die aan het proces zijn verbonden, te verlagen, Additieve fabricage wordt meer kostenconcurrerend met meer traditionele fabricagemethoden. Door onderdelen te consolideren, Whitefoot en Kara verlagen niet alleen de productiekosten en gewichtsbesparingen, maar ook aanzienlijk minder tijd besteed aan het afdrukken van de build.

Een van de redenen waarom dit zo aantrekkelijk is in de lucht- en ruimtevaartsector, is dat ponden direct worden vertaald in brandstofverbruik gedurende de hele levensduur van vliegtuigen. Elke ounce die wordt bespaard door de grootte en het gewicht van een onderdeel te optimaliseren, kan dat brandstofverbruik helpen compenseren, waardoor de kosten en de gevolgen voor het milieu worden verminderd.

"Als we deze methoden kunnen gebruiken om de productiekosten aanzienlijk te verlagen, dan zouden veel meer industrieën additieven kunnen toepassen en vervolgens profiteren van de prestatievoordelen die het kan opleveren, " zegt Witvoet, "waaronder het openen van de ontwerpruimte en mogelijk aanzienlijke gewichtsbesparingen, met enorme kosten- en milieuvoordelen als het gaat om toepassingen waarbij we ons vertalen in brandstofverbruik."

Onderdelen kunnen samenvoegen en produceren als één enkel monolithisch onderdeel is een enorme sprong voorwaarts voor de productie van onderdelen, maar de onderzoekers willen nog een stap verder gaan - in de richting van automatisch herontwerp. Whitefoot werkt samen met Kara om de optimalisatie van vormen van metalen onderdelen die zijn gemaakt door middel van additieve fabricage te automatiseren, waardoor het gewicht van deze onderdelen wordt geminimaliseerd, evenals de productiekosten.

"Met de opmars van additive manufacturing, nu kunnen we complexere geometrieën vervaardigen, ", zegt Kara. "Een ding dat additieve topologie-optimalisatie aantrekkelijk maakt, is dat we nu onderdelen kunnen maken die voorheen alleen theoretisch mogelijk waren. Binnen de onderdelen, complexe interne geometrieën kunnen worden geproduceerd om de totale massa van het onderdeel te minimaliseren, terwijl ervoor wordt gezorgd dat de structuur alle externe krachten kan weerstaan ​​die erop worden uitgeoefend, evenals een traditioneel machinaal bewerkt onderdeel."

Whitefoot en Kara ontwikkelen methoden die de automatische optimalisatie van onderdelen mogelijk maken. Met dit onderzoek, een fabrikant kan een CAD-bestand van een set onderdelen uploaden, en deze methoden zouden automatisch de optimale manier bepalen waarop deze set onderdelen moet worden geconsolideerd.

"Het nemen van verschillende onderdelen en deze automatisch kunnen synthetiseren tot één uniek geometrisch onderdeel, was voorheen misschien niet haalbaar, "Kara voegt eraan toe, "maar met additieve fabricage, we kunnen nu niet alleen optimaliseren voor de beste combinatie van deze onderdelen, we kunnen de onderdelen maken die onmogelijk te maken waren met traditionele bewerkingsmethoden."

Whitefoot en Kara ondergaan momenteel een eerste project van een jaar met Boeing om de haalbaarheid van de door hen ontwikkelde methoden aan te tonen. Op de commerciële markt, het kost tijd om van een werkbare methode in de onderzoeksfase over te gaan naar daadwerkelijk commercieel levensvatbaarheid, maar de onderzoekers voorspellen dat deze technologie binnen een tijdshorizon van vijf jaar commercieel beschikbaar zou kunnen zijn.

"We doen dit om additive manufacturing-ingenieurs en -ontwerpers te helpen het proces van het maken van meer geautomatiseerde tools te stroomlijnen. " zegt Witvoet, "zodat additief ontwerp echt van een kunst naar een wetenschap kan gaan."