Più un aereo è pesante, più carburante ha bisogno per rimanere in volo. Ogni singola parte si aggiunge al peso totale del velivolo, dalle ali ai motori ai bulloni che tengono insieme tutto. Le numerose parti che compongono un veicolo sono tradizionalmente realizzate utilizzando vari processi di lavorazione in cui le materie prime vengono tagliate nelle forme finali desiderate. Però, i processi di lavorazione tradizionali come la fresatura o la rettifica sono limitati quando si tratta di ottimizzare le forme per il minor peso. Questi metodi di lavorazione tradizionali hanno portato i produttori a creare molte parti separate che si adattano insieme, ma non è necessario che sia così.

Kate Whitefoot, un assistente professore di ingegneria meccanica e ingegneria e politiche pubbliche, e Levent Burak Kara, professore di ingegneria meccanica, stanno sviluppando metodi che consentono ai produttori di consolidare parti discrete, prendendo più parti di dimensioni diverse e ridisegnandole in un'unica parte. Questa parte continua potrebbe quindi essere stampata in 3D in metallo.

Produzione di additivi, nota anche come stampa 3D, consente la produzione di nuove forme che prima non potevano essere prodotte. In qualità di membri del NextManufacturing Center di Carnegie Mellon, Whitefoot e Kara stanno utilizzando la produzione additiva per reinventare ciò che è possibile durante la creazione di componenti.

"Ciò che il consolidamento delle parti ci consente di fare è realizzare in modo monolitico componenti che normalmente dovrebbero essere assemblati insieme, " afferma Whitefoot. "Questo può ridurre sostanzialmente i costi associati alla realizzazione di queste parti, e potenzialmente ci consentono anche un significativo risparmio di peso. Quindi questo è qualcosa a cui i produttori sono davvero interessati, in particolare in settori come quello aerospaziale e automobilistico."

Consolidando più parti di dimensioni diverse in un'unica parte, Whitefoot può ridurre il numero di elementi di fissaggio, rimuovere le superfici di accoppiamento associate alle parti, e stampare monoliticamente queste parti. A determinate condizioni, questo può renderli più forti di più parti che erano, Per esempio, saldati insieme.

Ridisegnando la geometria delle parti per ridurre ulteriormente il peso, La ricerca di Whitefoot potrebbe rivoluzionare molti settori industriali, in particolare aerospaziale e automobilistico. Quando il consolidamento delle parti viene sfruttato per ridurre i costi di produzione associati al processo, la produzione additiva diventa più competitiva in termini di costi con metodi di produzione più tradizionali. Consolidando le parti, Whitefoot e Kara non stanno solo riducendo i costi di produzione e il risparmio di peso, ma anche diminuendo significativamente il tempo impiegato a stampare la build.

Uno dei motivi per cui questo è così attraente nel settore aerospaziale è perché le libbre si traducono direttamente in consumo di carburante per tutta la vita degli aerei. Ogni grammo risparmiato ottimizzando le dimensioni e il peso di una parte può aiutare a compensare il consumo di carburante, riducendo così i costi e gli impatti ambientali.

"Se possiamo utilizzare questi metodi per ridurre significativamente i costi di produzione, quindi molte più industrie sarebbero in grado di adottare l'additivo e quindi sfruttare i vantaggi in termini di prestazioni che può portare, "dice Whitefoot, "che include l'apertura dello spazio di progettazione e il potenziale risparmio di peso significativo, con enormi vantaggi in termini di costi e ambientali quando si tratta di applicazioni in cui si traducono in consumo di carburante."

Essere in grado di unire parti e produrle come un'unica parte monolitica è un passo da gigante per la produzione di parti, ma i ricercatori vogliono fare un ulteriore passo avanti, verso la riprogettazione automatica. Whitefoot sta lavorando con Kara per automatizzare l'ottimizzazione delle forme delle parti metalliche create attraverso la produzione additiva, riducendo al minimo il peso di queste parti, così come il costo di produzione.

"Con l'avanzare della produzione additiva, ora possiamo produrre geometrie più complesse, " dice Kara. "Una cosa che rende attraente l'ottimizzazione della topologia additiva è che ora possiamo produrre parti che prima erano solo teoricamente possibili. All'interno delle parti, possono essere prodotte complesse geometrie interne per ridurre al minimo la massa complessiva del pezzo, assicurandosi che la struttura possa resistere a tutte le forze esterne ad essa applicate così come potrebbe farlo una parte lavorata tradizionalmente."

Whitefoot e Kara stanno sviluppando metodi che consentono l'ottimizzazione automatica delle parti. Con questa ricerca, un produttore potrebbe caricare un file CAD di un insieme di parti, e questi metodi valuterebbero automaticamente il modo ottimale in cui questo insieme di parti dovrebbe essere consolidato.

"Prendere più parti ed essere automaticamente in grado di sintetizzarle in un'unica parte geometrica potrebbe non essere stato fattibile prima, "Kara aggiunge, "ma con la produzione additiva, ora possiamo non solo ottimizzare per la migliore combinazione di queste parti, possiamo effettivamente creare le parti che erano impossibili da creare con i metodi di lavorazione tradizionali."

Whitefoot e Kara stanno attualmente conducendo un progetto iniziale di un anno con Boeing per dimostrare la fattibilità dei metodi che hanno sviluppato. Sul mercato commerciale, ci vuole tempo per passare dall'avere un metodo praticabile nella fase di ricerca all'effettiva capacità di vita commerciale, ma i ricercatori prevedono che questa tecnologia potrebbe essere disponibile in commercio entro un orizzonte di cinque anni.

"Stiamo facendo questo per aiutare gli ingegneri e i progettisti di produzione additiva a semplificare il processo di creazione di strumenti più automatizzati, "dice Whitefoot, "così il design additivo può davvero passare da un'arte a una scienza".