07 okt.2023 (Nanowerk NieuwsOnderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy brengen, in samenwerking met NASA, additieve productie naar de laatste grens door hetzelfde soort wiel in 3D te printen als het ontwerp dat NASA gebruikte voor zijn robotachtige maanrover, waarmee de technologie voor gespecialiseerde onderdelen die nodig zijn voor ruimteverkenning. Het additief vervaardigde wiel is gemodelleerd naar de bestaande, lichtgewicht wielen van de Volatiles Investigating Polar Exploration Rover, of VIPER, een mobiele robot die NASA in 2024 wil sturen om ijs en andere potentiële hulpbronnen op de zuidpool van de maan in kaart te brengen. De missie is bedoeld om de oorsprong en verspreiding van het maanwater te helpen bepalen en of er genoeg van het maanoppervlak kan worden geoogst om de mensen die daar wonen te ondersteunen.
Binnen een paar dagen gebruikten ORNL-onderzoekers poederbedprinten om dit maanroverwiel te creëren, gebaseerd op een NASA-ontwerp. (Afbeelding: Carlos Jones, ORNL) Hoewel het prototypewiel dat is gedrukt bij DOE's Manufacturing Demonstration Facility, of MDF, bij ORNL niet daadwerkelijk zal worden gebruikt op de NASA Moon-missie, is het gemaakt om aan dezelfde ontwerpspecificaties te voldoen als de wielen gemaakt voor NASA's ADDER. Er zijn aanvullende tests gepland om de ontwerp- en fabricagemethode te valideren voordat deze technologie wordt gebruikt voor toekomstige maan- of Mars-rovers of wordt overwogen voor andere ruimtetoepassingen, zoals grote structurele componenten.
Additieve productie kan het energieverbruik, de materiaalverspilling en de doorlooptijd verminderen, terwijl de ontwerpcomplexiteit en het afstemmen van materiaaleigenschappen mogelijk worden. MDF loopt voorop bij deze inspanningen en ontwikkelt de technologie al meer dan tien jaar voor een breed scala aan toepassingen in de sectoren schone energie, transport en productie. MDF-onderzoekers hebben het prototype van het roverwiel in de herfst van 2022 bij ORNL geprint. Een gespecialiseerde 3D-printer gebruikte twee op elkaar afgestemde lasers en een roterende bouwplaat om metaalpoeder selectief in de ontworpen vorm te smelten.
Typische metaalpoederbedsystemen werken in stappen: in een machine ter grootte van een kast harken ze een laag poeder over een stilstaande plaat. Vervolgens smelt een laser selectief een laag voordat de plaat iets zakt en het proces zich herhaalt. De printer die wordt gebruikt voor het prototype van het roverwiel is groot genoeg voor een persoon om binnen te komen en is uniek in zijn vermogen om grote objecten te printen terwijl de stappen gelijktijdig en continu plaatsvinden, zegt Peter Wang, die leiding geeft aan de MDF-ontwikkeling van nieuwe laserpoederbedfusiesystemen.
“Dit verhoogt de productiesnelheid dramatisch met dezelfde hoeveelheid laservermogen,” zei hij, eraan toevoegend dat de afzetting 50% sneller plaatsvindt. “We staan nog maar aan het begin van wat het systeem kan doen. Ik denk echt dat dit de toekomst wordt van laserpoederbedprinten, vooral op grote schaal en bij massaproductie.” Wang en projectteamleden publiceerden onlangs een onderzoek, dat je hier kunt vinden, waarin de schaalbaarheid van de technologie voor het printen van componenten zoals elektromotoren wordt geanalyseerd.
Hoewel de machine uniek is, was de expertise van onderzoekers op het gebied van procesautomatisering en machinebesturing een sleutel tot het succes van het project. Ze gebruikten software die bij ORNL was ontwikkeld om het wielontwerp in verticale lagen te ‘snijden’ en vervolgens de werklast tussen de twee lasers te verdelen om gelijkmatig te printen, waardoor een hoge productiesnelheid werd bereikt, waarbij gebruik werd gemaakt van een computertechniek die onlangs voor patentbescherming was ingediend.
Het prototypewiel, een van de eerste onderdelen die door het systeem worden geproduceerd, demonstreert de waarde van samenwerking tussen instanties. “Het project met NASA heeft de technologie echt vooruit geholpen”, zegt Brian Gibson, de onderzoeker die leiding gaf aan het roverwielproject voor ORNL, en noemde het een mijlpaal.
Door additieve productie kunnen fijne ontwerpdetails, zoals een golvend loopvlak op een koepelvormige vorm, in het prototype van het maanwiel worden verwerkt. (Afbeelding: Carlos Jones, ORNL) Het prototypewiel is gemaakt van een legering op nikkelbasis en is ongeveer 8 cm breed en 20 cm in diameter – veel groter dan typische onderdelen die zijn bedrukt met metalen poederbedsystemen. Hiervoor was de mogelijkheid nodig om kleine geometrische kenmerken te printen, verspreid over een groot werkgebied. Additieve productie maakte een grotere complexiteit in het velgontwerp mogelijk zonder extra kosten of productieproblemen, aldus Gibson.
Ter vergelijking: voor de vier VIPER-wielen die volgend jaar door het maanstof zullen razen, waren meerdere productieprocessen en montagestappen nodig. De 50-delige velg van VIPER wordt bij elkaar gehouden door 360 geklonken verbindingen. Het productieproces vereiste ingewikkelde en tijdrovende bewerkingen om aan de strenge eisen van de missie te voldoen.
Als uit NASA-tests blijkt dat het 3D-geprinte prototype net zo robuust is als conventioneel gebouwde wielen, zouden toekomstige rovers in plaats daarvan een enkele geprinte velg kunnen gebruiken, wat ORNL 40 uur kostte om te vervaardigen. Tijdens het project onderzochten de ingenieurs van ORNL en NASA ook het printen van precieze ontwerpkenmerken, zoals schuine zijwanden, een koepelvormige vorm en een golvend loopvlak om de stijfheid van het wiel te vergroten. Deze kenmerken zijn moeilijk te integreren in het huidige VIPER-wielontwerp met behulp van traditionele fabricagemethoden. Ondanks dat een complexer spaakpatroon en spaakvergrendelingsfuncties voor het wiel mogelijk waren, vereenvoudigde en verlaagde 3D-printen de kosten van het wielontwerp en werd de eindmontage eenvoudiger.
"Veel van deze wielkenmerken zijn aangebracht om te benadrukken wat je kunt doen met additieve productie", zegt Richard Hagen, mechanisch ontwerpingenieur voor NASA en laboratoriummanager voor additieve productie bij NASA's Johnson Space Center in Houston. “Hiermee kun je eenvoudig ontwerpkenmerken implementeren die moeilijk te implementeren zijn met traditionele gereedschappen of zelfs met traditioneel bewerkte onderdelen.” Het vermogen van ORNL om grote objecten te printen demonstreert het potentieel van additieve productietechnologie voor het produceren van veel grotere roverwielen voor zowel maan- als Marsmissies, zei Hagen.
Een uitdaging is dat de gespecialiseerde printer alleen met bepaalde materialen bouwt – in dit geval een legering op nikkelbasis – waardoor het 3D-geprinte wiel 50% zwaarder is dan het aluminium VIPER-wiel, terwijl het op een vergelijkbare dikte wordt geprint.
NASA is van plan de prestaties van het 3D-geprinte wiel te testen op een rover, hetzij op de rotswerf van NASA's Johnson Space Center, hetzij in een gigantische 'zandbak' van gesimuleerde maanrotsen en aarde in een gecontracteerde testfaciliteit. Beoordelaars beoordelen de manoeuvreerbaarheid van het wiel, de draaiweerstand, zijwaartse slip, het beklimmen van hellingen en andere prestatiegegevens.
Hagen zei dat additive manufacturing het voordeel biedt van snelle ontwerpupdates als reactie op testen. Het kan ook meer complexiteit bevatten, zoals een ophangsysteem, zonder zwakke punten toe te voegen.
Hagen zei dat bemande onderzoeksstations die op de maan zijn geplaatst als onderdeel van het Artemis-programma van het agentschap, productiecapaciteit buiten de planeet nodig zullen hebben. “Het zal belangrijk zijn om onderdelen in de ruimte te kunnen bouwen voor reparaties, omdat je gewoon niet genoeg reserveonderdelen mee kunt nemen,” zei hij. “Poeder, pellets of filament voor printen zijn een stuk eenvoudiger te verpakken en zorgen voor meer flexibiliteit.” “Additive manufacturing biedt de flexibiliteit dat als je over de grondstoffen beschikt, je elk vervangend onderdeel kunt maken dat je nodig hebt, zowel in de ruimte als op aarde”, aldus Gibson. Dit is de reden dat additieve productie aanzienlijke belangstelling heeft gewekt voor een reeks vervangingsbehoeften, van snel vervaardigde gereedschappen tot moeilijk verkrijgbare gietstukken en smeedstukken.
Binnen een paar dagen gebruikten ORNL-onderzoekers poederbedprinten om dit maanroverwiel te creëren, gebaseerd op een NASA-ontwerp. (Afbeelding: Carlos Jones, ORNL) Hoewel het prototypewiel dat is gedrukt bij DOE's Manufacturing Demonstration Facility, of MDF, bij ORNL niet daadwerkelijk zal worden gebruikt op de NASA Moon-missie, is het gemaakt om aan dezelfde ontwerpspecificaties te voldoen als de wielen gemaakt voor NASA's ADDER. Er zijn aanvullende tests gepland om de ontwerp- en fabricagemethode te valideren voordat deze technologie wordt gebruikt voor toekomstige maan- of Mars-rovers of wordt overwogen voor andere ruimtetoepassingen, zoals grote structurele componenten.
Additieve productie kan het energieverbruik, de materiaalverspilling en de doorlooptijd verminderen, terwijl de ontwerpcomplexiteit en het afstemmen van materiaaleigenschappen mogelijk worden. MDF loopt voorop bij deze inspanningen en ontwikkelt de technologie al meer dan tien jaar voor een breed scala aan toepassingen in de sectoren schone energie, transport en productie. MDF-onderzoekers hebben het prototype van het roverwiel in de herfst van 2022 bij ORNL geprint. Een gespecialiseerde 3D-printer gebruikte twee op elkaar afgestemde lasers en een roterende bouwplaat om metaalpoeder selectief in de ontworpen vorm te smelten.
Typische metaalpoederbedsystemen werken in stappen: in een machine ter grootte van een kast harken ze een laag poeder over een stilstaande plaat. Vervolgens smelt een laser selectief een laag voordat de plaat iets zakt en het proces zich herhaalt. De printer die wordt gebruikt voor het prototype van het roverwiel is groot genoeg voor een persoon om binnen te komen en is uniek in zijn vermogen om grote objecten te printen terwijl de stappen gelijktijdig en continu plaatsvinden, zegt Peter Wang, die leiding geeft aan de MDF-ontwikkeling van nieuwe laserpoederbedfusiesystemen.
“Dit verhoogt de productiesnelheid dramatisch met dezelfde hoeveelheid laservermogen,” zei hij, eraan toevoegend dat de afzetting 50% sneller plaatsvindt. “We staan nog maar aan het begin van wat het systeem kan doen. Ik denk echt dat dit de toekomst wordt van laserpoederbedprinten, vooral op grote schaal en bij massaproductie.” Wang en projectteamleden publiceerden onlangs een onderzoek, dat je hier kunt vinden, waarin de schaalbaarheid van de technologie voor het printen van componenten zoals elektromotoren wordt geanalyseerd.
Hoewel de machine uniek is, was de expertise van onderzoekers op het gebied van procesautomatisering en machinebesturing een sleutel tot het succes van het project. Ze gebruikten software die bij ORNL was ontwikkeld om het wielontwerp in verticale lagen te ‘snijden’ en vervolgens de werklast tussen de twee lasers te verdelen om gelijkmatig te printen, waardoor een hoge productiesnelheid werd bereikt, waarbij gebruik werd gemaakt van een computertechniek die onlangs voor patentbescherming was ingediend.
Het prototypewiel, een van de eerste onderdelen die door het systeem worden geproduceerd, demonstreert de waarde van samenwerking tussen instanties. “Het project met NASA heeft de technologie echt vooruit geholpen”, zegt Brian Gibson, de onderzoeker die leiding gaf aan het roverwielproject voor ORNL, en noemde het een mijlpaal.
Door additieve productie kunnen fijne ontwerpdetails, zoals een golvend loopvlak op een koepelvormige vorm, in het prototype van het maanwiel worden verwerkt. (Afbeelding: Carlos Jones, ORNL) Het prototypewiel is gemaakt van een legering op nikkelbasis en is ongeveer 8 cm breed en 20 cm in diameter – veel groter dan typische onderdelen die zijn bedrukt met metalen poederbedsystemen. Hiervoor was de mogelijkheid nodig om kleine geometrische kenmerken te printen, verspreid over een groot werkgebied. Additieve productie maakte een grotere complexiteit in het velgontwerp mogelijk zonder extra kosten of productieproblemen, aldus Gibson.
Ter vergelijking: voor de vier VIPER-wielen die volgend jaar door het maanstof zullen razen, waren meerdere productieprocessen en montagestappen nodig. De 50-delige velg van VIPER wordt bij elkaar gehouden door 360 geklonken verbindingen. Het productieproces vereiste ingewikkelde en tijdrovende bewerkingen om aan de strenge eisen van de missie te voldoen.
Als uit NASA-tests blijkt dat het 3D-geprinte prototype net zo robuust is als conventioneel gebouwde wielen, zouden toekomstige rovers in plaats daarvan een enkele geprinte velg kunnen gebruiken, wat ORNL 40 uur kostte om te vervaardigen. Tijdens het project onderzochten de ingenieurs van ORNL en NASA ook het printen van precieze ontwerpkenmerken, zoals schuine zijwanden, een koepelvormige vorm en een golvend loopvlak om de stijfheid van het wiel te vergroten. Deze kenmerken zijn moeilijk te integreren in het huidige VIPER-wielontwerp met behulp van traditionele fabricagemethoden. Ondanks dat een complexer spaakpatroon en spaakvergrendelingsfuncties voor het wiel mogelijk waren, vereenvoudigde en verlaagde 3D-printen de kosten van het wielontwerp en werd de eindmontage eenvoudiger.
"Veel van deze wielkenmerken zijn aangebracht om te benadrukken wat je kunt doen met additieve productie", zegt Richard Hagen, mechanisch ontwerpingenieur voor NASA en laboratoriummanager voor additieve productie bij NASA's Johnson Space Center in Houston. “Hiermee kun je eenvoudig ontwerpkenmerken implementeren die moeilijk te implementeren zijn met traditionele gereedschappen of zelfs met traditioneel bewerkte onderdelen.” Het vermogen van ORNL om grote objecten te printen demonstreert het potentieel van additieve productietechnologie voor het produceren van veel grotere roverwielen voor zowel maan- als Marsmissies, zei Hagen.
Een uitdaging is dat de gespecialiseerde printer alleen met bepaalde materialen bouwt – in dit geval een legering op nikkelbasis – waardoor het 3D-geprinte wiel 50% zwaarder is dan het aluminium VIPER-wiel, terwijl het op een vergelijkbare dikte wordt geprint.
NASA is van plan de prestaties van het 3D-geprinte wiel te testen op een rover, hetzij op de rotswerf van NASA's Johnson Space Center, hetzij in een gigantische 'zandbak' van gesimuleerde maanrotsen en aarde in een gecontracteerde testfaciliteit. Beoordelaars beoordelen de manoeuvreerbaarheid van het wiel, de draaiweerstand, zijwaartse slip, het beklimmen van hellingen en andere prestatiegegevens.
Hagen zei dat additive manufacturing het voordeel biedt van snelle ontwerpupdates als reactie op testen. Het kan ook meer complexiteit bevatten, zoals een ophangsysteem, zonder zwakke punten toe te voegen.
Hagen zei dat bemande onderzoeksstations die op de maan zijn geplaatst als onderdeel van het Artemis-programma van het agentschap, productiecapaciteit buiten de planeet nodig zullen hebben. “Het zal belangrijk zijn om onderdelen in de ruimte te kunnen bouwen voor reparaties, omdat je gewoon niet genoeg reserveonderdelen mee kunt nemen,” zei hij. “Poeder, pellets of filament voor printen zijn een stuk eenvoudiger te verpakken en zorgen voor meer flexibiliteit.” “Additive manufacturing biedt de flexibiliteit dat als je over de grondstoffen beschikt, je elk vervangend onderdeel kunt maken dat je nodig hebt, zowel in de ruimte als op aarde”, aldus Gibson. Dit is de reden dat additieve productie aanzienlijke belangstelling heeft gewekt voor een reeks vervangingsbehoeften, van snel vervaardigde gereedschappen tot moeilijk verkrijgbare gietstukken en smeedstukken.
- Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
- PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
- PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
- PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
- Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
- Bron: https://www.nanowerk.com/news2/gadget/newsid=63797.php
