Un equipo de Sandia National Laboratories construyó un telescopio para demostrar cómo diseñar para la fabricación aditiva, familiarmente conocida como impresión 3-D, para aprovechar las fortalezas y debilidades de la técnica.

El proyecto de investigación y desarrollo dirigido por laboratorio de tres años de Sandia demostró la viabilidad de utilizar la fabricación aditiva como una herramienta de diseño completamente nueva, muy diferente de la técnica estándar de pasar del dibujo a mano al diseño asistido por computadora y al mecanizado de piezas, dijo Ted Winrow, un ingeniero mecánico que dirigió el proyecto.

En lugar de concentrarse en imprimir piezas de precisión, el proyecto se centró en cómo unir piezas impresas en 3D menos precisas con herramientas precisas, aprovechando la rápida creación de prototipos, diseño y fabricación posibles con fabricación aditiva.

"Ese es el matiz que parece perderse, que tienes que diseñar de otra manera, ", Dijo Winrow." No se conecta a un proceso de diseño estándar ".

El equipo creó un peso más ligero, telescopio terrestre menos costoso en aproximadamente un tercio del tiempo de un telescopio de fabricación tradicional por aproximadamente una quinta parte del costo, él dijo. Utilizaron componentes impresos en 3-D, diseño modular y, para el diseño óptico del telescopio, algoritmos de corrección de imágenes que también ayudaron a ahorrar dinero.

La técnica transfiere dinero de los costos recurrentes, "donde cada parte tiene que ser precisa, a costos no recurrentes, donde solo está comprando un conjunto de herramientas que puede usar durante quizás 10 años, ", Dijo Winrow." Por lo tanto, cuando realiza tiradas de producción, obtiene ahorros de costos. Tiene un ahorro de tiempo porque no está esperando a que cada pieza se haga "mediante el mecanizado.

Tolerancias exactas versus ensamblaje preciso

Hay dos formas de abordar la construcción de cualquier estructura de precisión:hacer que cada pieza tenga tolerancias exactas para que el ensamblaje sea simple, o hacer piezas más rugosas y utilizar un proceso de ensamblaje muy preciso que compensa las deficiencias en las dimensiones.

El mecanizado crea piezas con dimensiones extremadamente precisas, pero no se puede hacer a bajo precio o en algunos casos, hacer en absoluto, los extraños diseños impresos en 3-D que pueden tener ventajas en función y peso. La fabricación aditiva forma el material:polímero, cerámica o metal, al mismo tiempo crea una pieza. Se está investigando cómo eso afecta las propiedades de los materiales y si los cambios en las propiedades son importantes en un uso particular.

Diseño, sin embargo, es una pregunta aparte.

"¿Podemos diseñar un sistema al que no le importe si su material no es tan bueno como esperaba? ¿Puede diseñar un sistema al que no le importe que sus piezas no sean tan precisas dimensionalmente?" Dijo Winrow. "Si te vuelves insensible a las cosas en las que el aditivo no es muy bueno, aprovechas todas sus cosas buenas ".

Por ejemplo, una cámara estándar tiene una repisa, que debe ser muy precisa porque la posición de esa repisa define exactamente dónde se asienta una lente. El proyecto de Sandia, trabajar con lentes para el telescopio, creó un cilindro recto sin repisas. En lugar de, "Sostenemos la lente en una posición muy precisa utilizando herramientas muy precisas. Sostenemos la lente en el lugar correcto y luego inyectamos epoxi a su alrededor y la bloqueamos en su lugar, ", Dijo Winrow." Podemos hacer piezas que son menos precisas en lo que respecta a las dimensiones debido al epoxi en el proceso. Son las herramientas las que son precisas ".

Sandia solicitó una patente para un monolítico, Flexión de titanio que forma parte de la montura del espejo del telescopio. Una flexión se refiere a una amplia gama de elementos utilizados como juntas entre cuerpos rígidos. El movimiento conjunto, ya sea lineal o rotatorio, se produce doblando el elemento. El montaje rígido de metal sobre vidrio no funciona porque los dos materiales se expanden y contraen a diferentes velocidades a medida que cambia la temperatura. y el vidrio podría deformarse o incluso romperse.

Una flexión actúa como un resorte, aunque no parece un muelle helicoidal. El diseño de Sandia es aproximadamente cilíndrico, aproximadamente 2 pulgadas de largo y 3/4 de pulgada de diámetro, con hojas de flexión muy delgadas. Tres soportes de flexión se adhieren a los espejos con epoxi, aliviando la tensión de expansión y contracción donde los espejos se adhieren a una columna vertebral de fibra de carbono.

Sandia busca patente para pieza diseñada durante proyecto

El equipo de diseño mecánico de precisión trabajó en el proyecto con el diseñador óptico de Sandia, Jeff Hunt, y los autores de algoritmos Dennis Lee y Eric Shields. Winrow dijo que el diseño de la lente crea una imagen en bruto con distorsiones y otros errores. Los algoritmos del software corrigen ciertos tipos de errores mejor que otros, por lo que los errores en el diseño de la lente son del tipo que los algoritmos son buenos para corregir, él dijo.

"La idea era que se podía tener una óptica menos precisa y corregirla con software, esencialmente después del hecho. Similar a cómo diseñamos el hardware mecánico para que sea insensible a las deficiencias de fabricación aditiva y aproveche sus beneficios, Jeff optimizó la óptica del sistema para que el software mantuviera las propiedades de la imagen que los algoritmos no podrían haber hecho tan bien corrigiendo. ", Dijo Winrow." Podría obtener el mismo rendimiento que podría tener si gastara tres veces más dinero en mejores ópticas ".

El proyecto ha terminado pero los diseñadores estructurales de Sandia ahora están usando información de él, él dijo.

"Eso era lo que buscaba el proyecto, cómo estas formas podrían hacerlo más rápido, más barato e igual de bueno, "Dijo Winrow." Si hablas de cosas a las que puedes renunciar, cosas que puede compensar después del hecho, abre reinos en el lado del diseño ".