Un team dei Sandia National Laboratories ha costruito un telescopio per dimostrare come progettare per la produzione additiva, comunemente nota come stampa 3D, sfruttare i punti di forza e di debolezza della tecnica.

Il progetto triennale di ricerca e sviluppo diretto dal laboratorio di Sandia ha dimostrato la fattibilità dell'utilizzo della produzione additiva come strumento di progettazione completamente nuovo, molto diverso dalla tecnica standard di passare dal disegno a mano alla progettazione assistita da computer fino alla lavorazione delle parti, disse Ted Winrow, un ingegnere meccanico che ha guidato il progetto.

Invece di concentrarci sulla stampa di parti di precisione, il progetto si è concentrato su come mettere insieme parti stampate in 3D meno precise con strumenti precisi, sfruttando la prototipazione rapida, progettazione e produzione possibili con la produzione additiva.

"Questa è la sfumatura che sembra perdersi, che devi progettare in modo diverso, " ha detto Winrow. "Non si inserisce in un processo di progettazione standard".

Il team ha creato un peso più leggero, telescopio terrestre meno costoso in circa un terzo del tempo di un telescopio tradizionale per circa un quinto del costo, Egli ha detto. Hanno usato componenti stampati in 3D, design modulare e, per la progettazione ottica del telescopio, algoritmi di correzione delle immagini che hanno anche aiutato a risparmiare denaro.

La tecnica sposta denaro dai costi ricorrenti, "dove ogni parte deve essere precisa, a costi non ricorrenti, dove stai solo acquistando un set di strumenti che puoi usare per forse 10 anni, " Winrow ha detto. "Quindi quando si effettuano cicli di produzione si ottengono risparmi sui costi. Risparmi tempo perché non aspetti che ogni pezzo venga realizzato" mediante lavorazione.

Tolleranze esatte contro un montaggio preciso

Ci sono due modi per affrontare la costruzione di qualsiasi struttura di precisione:realizzare ogni pezzo con tolleranze esatte in modo che l'assemblaggio sia semplice, oppure realizzare pezzi più grezzi e utilizzare un processo di assemblaggio molto preciso che compensa le carenze dimensionali.

La lavorazione crea pezzi con dimensioni estremamente precise, ma non può fare a buon mercato, o in alcuni casi, fare del tutto, gli strani disegni stampati in 3D che possono avere vantaggi in termini di funzionalità e peso. La produzione additiva forma il materiale:polimero, ceramica o metallo, allo stesso tempo crea una parte. Sono in corso ricerche su come ciò influenzi le proprietà dei materiali e se i cambiamenti nelle proprietà siano importanti in un particolare uso.

Design, però, è una domanda a parte.

"Possiamo progettare un sistema a cui non importi se il tuo materiale non è buono come ti aspettavi? Puoi progettare un sistema a cui non importi che le tue parti non siano dimensionalmente accurate?" ha detto Winrow. "Se ti rendi insensibile alle cose in cui l'additivo non è molto bravo, approfitti di tutte le sue cose buone."

Per esempio, una fotocamera standard ha una sporgenza, che deve essere molto preciso perché la posizione di quella sporgenza definisce esattamente dove si trova una lente. Il progetto di Sandia, lavorare con lenti per il telescopio, ha creato un cilindro dritto senza sporgenze. Anziché, "Teniamo l'obiettivo in una posizione molto precisa utilizzando strumenti molto precisi. Teniamo l'obiettivo nel punto giusto e poi iniettiamo resina epossidica attorno ad esso e lo blocchiamo in posizione, " ha detto Winrow. "Possiamo realizzare parti meno precise per quanto riguarda le dimensioni a causa della resina epossidica nel processo. È l'attrezzatura che è precisa."

Sandia ha chiesto un brevetto per un monolitico, flessione in titanio che fa parte della montatura dello specchio del telescopio. Una flessione si riferisce a una vasta gamma di elementi utilizzati come giunti tra corpi rigidi. Il movimento congiunto, lineare o rotante, viene prodotto piegando l'elemento. Il montaggio rigido del metallo sul vetro non funziona perché i due materiali si espandono e si contraggono a velocità diverse al variare della temperatura, e il vetro potrebbe deformarsi o addirittura rompersi.

Una flessione agisce come una molla, anche se non sembra una molla elicoidale. Il design di Sandia è approssimativamente cilindrico, circa 2 pollici di lunghezza e 3/4 di pollice di diametro, con lame flessibili molto sottili. Tre supporti flessibili si fissano agli specchi con resina epossidica, alleviare lo stress da espansione e contrazione in cui gli specchi si attaccano a una spina dorsale in fibra di carbonio.

Sandia cerca brevetto per pezzo disegnato durante il progetto

Il team di progettazione meccanica di precisione ha lavorato al progetto con il designer ottico di Sandia Jeff Hunt e gli autori di algoritmi Dennis Lee ed Eric Shields. Winrow ha affermato che il design dell'obiettivo crea un'immagine grezza con distorsioni e altri errori. Gli algoritmi del software correggono alcuni tipi di errori meglio di altri, quindi gli errori nel design dell'obiettivo sono il tipo che gli algoritmi sono bravi a correggere, Egli ha detto.

"Il pensiero era che avresti potuto avere un'ottica meno precisa e correggerla con il software, essenzialmente a posteriori. Simile a come abbiamo progettato l'hardware meccanico per essere insensibile alle carenze della produzione additiva e sfruttarne i vantaggi, Jeff ha ottimizzato l'ottica del sistema in modo che il software mantenesse le proprietà dell'immagine che gli algoritmi non avrebbero potuto correggere in modo altrettanto efficace, "Ha detto Winrow. "Potresti ottenere le stesse prestazioni che potresti avere se spendessi tre volte di più per un'ottica migliore".

Il progetto è terminato, ma i progettisti strutturali Sandia ora stanno utilizzando le informazioni da esso, Egli ha detto.

"Era quello che il progetto stava guardando, come questi modi potrebbero renderlo più veloce ed economico e altrettanto buono, " disse Winrow. "Se parli di cose puoi rinunciare, cose che puoi compensare dopo il fatto, apre regni dal punto di vista del design."