O echipă de studenţi ingineri din Elveţia a creat un nou tip de printer 3D, care produce componente mecanice de înaltă precizie cu un randament record

În lumea noastră există universităţi unde până şi lucrările finale de absolvire par un conglomerat de informaţi compilate din câteva surse general disponibile. Dar există şi universităţi cu o abordare mult mai profundă a studiilor, unde studenţii din anul III reuşesc să creeze un salt tehnologic uriaş pentru industria aerospaţială, cea a maşinilor electrice şi cea energetică. O echipă de doar 6 studenţi de la universitatea ETH Zurich din Elveţia a creat un nou tip de printer 3D, numit Rapture, pe bază de topire selectivă cu laser, care foloseşte principiul circular pentru a produce componente mecanice de înaltă precizie cu un randament record.

Foto: Noul printer 3D creat în Elveţia

Printerele 3D sunt dispozitive despre care auzim frecvent în ultimii ani, dar şi printre acestea există mai multe tipuri. Pentru public, sunt mai cunoscute imprimantele care operează cu materiale plastice, însă în industrie sunt mult mai solicitate cele care lucrează cu metale. De asemenea, cunoştinţele generale despre printere 3D se opresc adeseori la ideea că un utilaj de înaltă precizie ajunge să modeleze obiecte printr-o perepere spaţială, 3D, a lor, fără să se intre prea profund în modul în care asta se întâmplă — prin adăugare de material sau prin erodare de materiale.

Foto: Un printer 3D relativ obişnuit

De fapt, majoritatea printerelor 3D funcţionează pe principiu aditiv, adăugând material, strat cu strat, şi creând astfel obiectul final. Există şi printere foarte sofisticate hibride, care pot efectua şi operaţiuni de erodare, pentru obiectele mai complexe, dar acestea sunt folosite mai rar. De obicei, piesele care trebuie create prin erodare sunt produse prin utilaje CNC, adică utilae cu calcul numeric. Acestea pornesc de la o bucată de metal, spre exemplu, şi, înţelegând la fel de bine tridimensionalitatea produsului final, rod metalul care trebuie extras, redând forma corectă a piesei. Aceste principiu funcţionează bine la componente relativ obişnuite, chiar şi cele de înaltă precizie, şi e folosit chiar şi la producţie la scară medie sau mai mare, dar şi în fabrici mai mici sau centre de cercetare şi dezvoltare.

Foto: Producţie a unei piese la un utilaj CNC, prin erodare şi extracţie de material, până se obţine forma corectă

Totuşi, există piese metalice foarte complexe, care devin mult mai dificil de produs prin utilaje CNC. Atunci când forma geometrică e mult mai complicată — spre exemplu o piesă cu multiple canale interioare de răcire de formă complexă spaţială — e mai eficient să se folosească printerele 3D care realizează aceste piese metalice prin adăugarea de material, nu prin erodare. Cea mai matură tehnologie, folosită de majoritatea inginerilor aerospaţiali, inclusiv de cei ce construiesc cele mai performante rachete spaţiale din prezent, e topirea selectivă cu laser.

Foto: Aşa arată procesul de printare 3D cu topire selectivă cu laser

În acest caz, printerul aşterne un strat subţire de pulbere în locurile potrive, după care îl topeşte cu laser la temperatura corectă şi astfel îl creează şi legăturile dense şi puternice cu stratul anterior. Aceste operaţiuni se repetă strat cu strat, ajungându-se la conturarea formei necesare, iar în acele puncte de topire se asigură şi un flux de gaz inert pentru a elimina riscurile oxidării în acele legături metalice.

Foto: Aşa arată un printer 3D cu topirea selectivă cu laser

Acest tip de printere 3D e cunoscut ca LPBF şi el e folosit deja foarte intens de ingineri care lucrează la componente mecanice de mare precizie — de la cei de la NASA şi SpaceX, până la CERN, companii aeronautice sau alte echipe de ingineri care elaborează viitoare produse, inclusiv maşini electrice. Apariţia lui ca unealtă pentru ingineri a redus substanţial timpul şi costurile de dezvoltare a componentelor mecanice şi entităţile care folosesc aceste printere 3D pot evolua mult mai rapid la producţia componentelor extrem de complicate geometric. Iar datorită tehnologiei cu laser, componenta metalică finală are o duritate şi o densitate excelentă, de multe ori mai bună decât producţia prin eventuale turnări ale metalelor. Şi tot datorită fasciculului ultra concentrat de laser se poate obţine precizia superbă dorită.

Foto: Motorul Raptor 3 al celor de la SpaceX e produs folosindu-se printarea 3D cu topire selectivă cu laser

Ei bine, ceea ce au făcut studenţii elveţieni acum le aduce tuturor inginerilor din lume un salt şi mai mare în randament, viteză de producţie, costuri şi lipsă de deşeuri. Principiul de bază al noului printer 3D e acelaşi cu printerele LPBF de mai sus în sensul în care foloseşte tot topirea selectivă cu laser, folosind la fel fluxul de gaz inert. Dar dincolo de asta, lucrurile sunt foarte diferite, marea diferenţă fiind că printerele actuale sunt rectilinii, în timp ce noul printer 3D elveţian e unul pe funcţionează pe principiu circular.

Foto: Noul printer 3D elveţian în acţiune

Studenţii ingineri spun din start că printerul lor e potrivit mai degrabă producţiei de piese de formă circulară, dar tocmai aceste industrii de înaltă precizie menţionate mai sus au nevoie în cea mai mare parte de piese circulare — fie că e vorba de piese de motoare, roţi dinţate, carcase pentru componente de rachetă şi altele.

Foto: Exemplul unei piese compusă din două metale, potrivită pentru producţia în noul printer

Mai mult ca atât, noul printer creat de studenţi poate pulveriza pulberea metalică şi o topi într-un singur pas, fără nevoia de a alterna aceste etape, cum o fac printerele actuale. Mai mult ca atât, noul printer 3D poate procesa două materiale în acelaşi timp, spre exemplu două metale diferite, ceea ce creşte şi mai mult viteza de producţie. Per total, noul printer 3D creat de studenţii din anul 3 de la ETH Zurich are un randament de lucru cu două treimi mai mare, deci cu aproape 67% mai bun decât imprimantele actuale. Atunci când o echipă de ingineri produce componentele pentru viitoarea rachetă spaţială, spre exemplu, un randament cu 67% mai mare înseamnă o economie enormă de timp şi o şansă de a scurta timpul de elaborare şi producţie.

Cei 6 studenţi de la ETH Zurich au fost ghidaţi în acest proiect de profesorul Markus Bambach şi omul de ştiinţă Michael Tucker. Numele celor 6 studenţi sunt Patrick Moser, Kalle Laitinen, Otto Laitinen, Sebastian Nobs, Dion Pirchl şi Lennart Schmid.

Foto: Cei 6 studenţi care au creat noul printer, ghidaţi de profesorii lor

Lor le-a luat 9 luni să dezvolte acest nou printer 3D — de la idee, proiectare, construcţie şi testare. Pornirea lor iniţială a fost să dezvolte acest printer 3D nou pentru a uşura munca inginerilor de la ARIS — adică Iniţiativa Academică Spaţială din Elveţia — care construiesc rachete spaţiale de origine elveţiană. Studenţii ştiau că toate componentele exterioare ale rachetelor folosesc de obicei un amestec de materiale, pentru că doar astfel pot rezista temperaturilor cărora le sunt supuse, tocmai de asta au proiectat printerul să poată aplica simultan două materiale.

Studenţii spun că la început au subestimat importanţa fluxului de gaz inert în acest proces, şi cum se reflectă acesta în calitatea produsului final. Dar ulterior au constatat că un flux neuniform de gaz inert slăbeşte enorm calitatea legăturilor metalice şi rezistenţa piesei finale. Aşa că au elaborat un mecanism care să asigure un flux continuu ireproşabil, iar printerul lor produce acum materiale deja conforme standardelor aplicabile în industria aerospaţială.

Foto: Noul printer 3D eleveţian, în acţiune

Ei au construit acest prim exemplar funcţional în cadrul universităţii şi el poate fi scalat pentru echipele de ingineri aerospaţiali, pentru a fi implementat cât de curând în fabricarea de rachete, motoare, şi chiar componente pentru maşinile electrice. Nu e doar o elaborare experimentală, deci, ci un produs care e gata de producţia în număr mare pentru a fi pus la treabă de inginerii din întreaga lume în industriile de înaltă precizie, ajutându-le să progreseze mai repede.

Cei 6 studenţi se pot mândri cu siguranţă că în anul III de studii au reuşit să facă o asemenea realizare. Şi, de fapt, universitatea ETH Zurich anunţă că potenţialul acestei elaborări e atât de important şi de mare, încât toate documentele de patentare a noii tehnologii au fost deja depuse. De asemenea, universitatea a nominalizat această elaborare în lista celor mai de impact, create de studenţii săi în acest an, listă numită Spark Award. Toate proiectele nominalizate în această listă dorită ajung să fie analizate atent de investitori elveţieni, atât entităţi de stat, cât şi private, şi pot beneficia de finanţările necesare pentru a fi transpuse în producţie şi a-şi fructifica rapid potenţialul. Ediţia din acest an va avea loc în noiembrie, dar universitatea deja califică noul printer 3D elaborat de studenţi săi drept unul revoluţionar pentru ingineria modernă şi spune că indiferent dacă ei vor fi desemnaţi marii câştigători din acest an sau nu, îi va susţine pe aceşti studenţi să ajungă la producţia noului printer.

Foto: Component produs la noul printer 3D elveţian

Până la urmă, imediat ce acesta va ajunge în producţia de serie, se va putea spune că cel mai avansat printer 3D metalic cu laser din lume e conceput şi produs în Elveţia, ceea ce înseamnă exporturi de o mare valoare adăugată pentru ţară şi un nou merit în palmaresul acestei universităţi.

Foto: Diferenţele constructive între un printer rectiliniu şi noul printer circular 3D