يتمثل أحد جوانب كيفية عمل الطباعة ثلاثية الأبعاد الصناعية التي يصعب فهمها في البداية ، في قدرتها على بناء أجزاء داخل أجزاء أخرى. تقوم الطابعة المعدنية ثلاثية الأبعاد بعمل طبقة أفقية بسماكة شعرة واحدة في المرة الواحدة. لذا تخيل طباعة عنصر ثلاثي الأبعاد مثل سلسلة. إنه مبني مرتبط بالفعل في دوائر صلبة تمامًا. على النقيض من ذلك ، في التصنيع التقليدي ، تكون الروابط الفردية مستقيمة أولاً ، ثم يتم ثنيها ، وربطها معًا في وقت واحد ، وهو أبطأ ، وأكثر كثافة في العمل ، ولديه نقاط ضعف في كل رابط. إنه نفس مبدأ التصنيع القديم للمجوهرات كما هو الحال بالنسبة للسلاسل التي تحمل مراسي السفن البحرية.
إن قدرة الطباعة ثلاثية الأبعاد على تصنيع الأشياء ، مثل سلسلة مرتبطة بالفعل ، تعطل الطريقة التي لطالما تم بها تصنيع الأشياء. إنه يوفر للمهندسين حرية تصميم جديدة ، غير مقيدة بقيود التصنيع التقليدي.
لدفع هذه النقطة إلى المنزل ، باستخدام جزء مطبوع ثلاثي الأبعاد أكثر تعقيدًا بكثير من رابط سلسلة ، عرضت شركة البرمجيات PTC محركًا نفاثًا مطبوعًا بالكامل ثلاثي الأبعاد – في قطعة واحدة – في حدث إطلاق منتج الشركة الشهر الماضي في بوسطن ، ماساتشوستس.
ولدت مجموعة المحرك مجمعة بالكامل
يزن محرك التوربينات الصغيرة حوالي ثمانية أرطال ويتم طباعته ثلاثية الأبعاد كمكون واحد ، بما في ذلك جميع الأجزاء الدوارة والثابتة ، مرة واحدة. على الرغم من أنها تبدو صلبة من الخارج ، إلا أن بداخلها هياكل شبكية لتقليل الوزن والقنوات لتمكين تدفق الهواء والوقود. على النقيض من ذلك ، يحتوي التوربينات الدقيقة النموذجية على ما يزيد عن 33 جزءًا يتم تشكيلها بشكل فردي ثم تجميعها.
يقول ستيف ديرتين ، رئيس قسم التكنولوجيا في شركة PTC: “لا توجد مكونات أخرى مطلوبة حقًا لهذا المحرك ليعمل بخلاف الهيكل”. “كل شيء آخر ، من المحامل إلى مانع التسرب إلى التبريد ، مصمم بشكل داخلي.”
تقول شركة PTC إن هذا المحرك المطبوع بشكل إضافي سيشتعل مثل أي محرك توربيني صغير آخر ، على الرغم من أنه لم يتم اختباره بالفعل بهذه الطريقة. كمشروع بحثي غير تجاري ، لا تخطط شركة PTC لبيع هذا المحرك المحدد ، ولكن لا يوجد نقص في الشركات التي تتطلع إلى جعل التوربينات المدمجة أكثر تكلفة للتطبيقات ، مثل الطائرات بدون طيار الخفيفة والمتوسطة الحجم.
قالت شركة PTC عند إطلاق المنتج: “تتطلب محركات التوربينات الصغيرة اليوم عمليات تجميع معقدة للعديد من الأجزاء باهظة الثمن ، مما يضع العملاء مباشرةً في مرمى تبعيات سلسلة التوريد ، ومحدودية التوافر ، ويحافظ مصنعوهم على خبرة الموظف المناسبة لإكمال التجميعات”.
يمكن لمحرك التوربينات الصغيرة المتجانسة والمطبوعة ثلاثية الأبعاد أن يخفض التكاليف بشكل كبير ، ويسرع الإنتاج ، ويقدم كفاءات جديدة غير ممكنة مع المحركات المصنعة تقليديًا.
مع الطباعة ثلاثية الأبعاد ، والتي تسمى أيضًا التصنيع الإضافي ، لا توجد أدوات مطلوبة لتشكيل أو تصنيع الأجزاء. إنه يلغي الحاجة إلى اللحام أو الانضمام إلى الأجزاء التي يمكن أن تحدث نقاط ضعف. وهناك أيضًا إمكانية التصنيع عند الطلب في الموقع نظرًا لعدم وجود حاجة لشحن أي مكونات من مكان آخر أو وجود عمالة ماهرة في متناول اليد.
يقول Dertien: “عندما يكون المحرك مجرد وحدة واحدة ، يكون إنتاجه واستبداله رخيصًا ، ولا داعي للتفكير في قطع الغيار. إذا تعطلت ، اطبع واحدة جديدة. “
استغرق المحرك 13 ساعة للطباعة على طابعة ليزر معدنية انصهار طبقة المسحوق ثلاثية الأبعاد من EOS (طرازها M300) باستخدام Inconel كمادة. Inconel هو معدن قوي للغاية ومقاوم للحرارة ويصعب تصنيعه آليًا ، لذلك ، في التصنيع التقليدي ، غالبًا ما يستخدم فقط لأجزاء عادم المحرك التوربيني.
من المفترض أن يكون محرك التوربينات الصغيرة هذا جزءًا مبدعًا يوضح الممكن ، كما يقول ديرتين. “كان هدف أوبر هو القيام بشيء غير عادي ، ولكن يمكن الوصول إليه.”
بالطبع ، PTC ليست شركة مصنعة للإضافات المعدنية. يصنع البرمجيات.
مشروع المحرك هو شراكة مع باحثين في التخنيون – المعهد الإسرائيلي للتكنولوجيا. إذا تمكنوا من تطوير محرك نفاث عملي وطباعته ثلاثية الأبعاد – أحد أكثر قطع الآلات تعقيدًا ، مع الأخذ في الاعتبار متطلبات الأداء للتشغيل وتعقيد المكونات – فسوف يوضح كيف يمكن للمهندسين إعادة التفكير في تصنيع هذه الأنواع من المحركات باستخدام تقنيات متقدمة برنامج يفهم التصنيع الإضافي.
يقول Dertien: “يعد المحرك المطبوع بشكل إضافي تتويجًا لآخر خمس إلى ست سنوات من وضع أدوات هندسية مضافة في برنامج CAD (التصميم بمساعدة الكمبيوتر)”. “إنها تمثل أحدث ما يمكن أن يقوم به التصنيع الإضافي ، وبعض هذه الميزات لم يكن من الممكن تصورها قبل بضع سنوات فقط.”
Creo هو اسم منصة برمجيات التصميم والهندسة الخاصة بشركة PTC مع أدوات خاصة لدمج أنواع التصميمات وميزات الأجزاء التي لا يمكن تحقيقها إلا مع التصنيع الإضافي. ومع ذلك ، فإن هذه الأدوات غالبًا ما تكون لغزًا للمهندسين الذين يستخدمون البرنامج في عملهم اليومي.
يشير Dertien إلى أن تصنيع المضافات المعدنية لا يتجاوز عمره بضعة عقود ، لذلك ربما لم يتعلم المهندسون عنها في المدرسة ، بالإضافة إلى أن الكثير قد تغير. يمكن لبرامج هندسية مثل Creo حساب سمك الجدار الذي يجب على التوربين أن يفي بالضغط المتوقع ، ويمكنه إنشاء هيكل شبكي مثالي للجدران الداخلية ، ويمكن أن يأخذ في الاعتبار أن الجزء سيتم طباعته ثلاثية الأبعاد ، لذلك قد يقدم أفكارًا لتوحيد الأجزاء.
من نواحٍ عديدة ، كان برنامج التصميم الهندسي في طليعة المنحنى في التصنيع الإضافي. تتوفر هنا القدرة على تصميم الأجزاء خصيصًا للتصنيع الإضافي ، ولكن تطبيق ذلك متأخر بعض الشيء ، بصرف النظر عن محركات الصواريخ ، والغرسات الطبية ، والمشاريع المفاهيمية ، مثل Czinger 21C هايبر كار.
يعد Creo أحد سلالة برامج CAD والبرامج الهندسية ، بما في ذلك Autodesk’s Fusion 360 و Siemens NX و nTop و Dassault Systèmes ‘CATIA ، على أمل تحفيز المزيد من اعتماد التصنيع الإضافي من خلال توفير أدوات التصميم التي تجعل ذلك ممكنًا.
تريد PTC من المهندسين “التفكير بشكل إضافي” وتطبيق سمات التكنولوجيا على المحركات والأقمار الصناعية والسيارات والتجمعات المعقدة الأخرى التي لا حصر لها.
تتضمن Creo ومنصات البرامج الأخرى مثلها اليوم خوارزميات معقدة لتحسين تصميمات المنتج بناءً على قيود الحجم والوزن. يمكن أن تبدأ المنتجات كمواصفات لما يجب عليها تحقيقه ، بدلاً من القيود المفروضة على كيفية بنائها. تسمى مجموعة العمليات والأدوات لتصميم جزء ليكون طباعة ثلاثية الأبعاد DfAM ، وهي تصميم للتصنيع الإضافي.
عندما يتعلق الأمر بتصميم مجموعة المحركات النفاثة ، قام مهندسو شركة PTC بقيادة الدكتور رونين بن هورين ، نائب الرئيس للتكنولوجيا في PTC وزميل باحث أول في التخنيون ، وبني كوكوريل ، الأستاذ المساعد في مجال الطيران في التخنيون ، باستخدام لغة Creo في ليس فقط تصميم المحرك بل محاكاة أداء المحرك. استغرق المشروع حوالي عامين وهو مستمر. ووفقًا لما قاله Dertien ، فإن التكرار التالي للميكروتوربين سوف يبسط التصنيع بشكل أكبر.
تسعى الشركات المصنعة الأخرى ، بما في ذلك Sierra Turbines ومقرها كاليفورنيا ، إلى الحصول على التوربينات الدقيقة الاقتصادية والفعالة ذات الطباعة ثلاثية الأبعاد المتجانسة والتي يتم تمكينها بواسطة أدوات برامج DfAM.
تستمر المنافسة للحصول على محركات وآلات وروبوتات أفضل لا تقيدها الطريقة التي تصنع بها الأشياء دائمًا في دفع اعتماد التصنيع الإضافي.