Η επιστήμη των υλικών στην τρισδιάσταση εκτύπωση εξαρτημάτων
Ένα από τα πρώτα πράγματα που μαθαίνουμε στη μηχανολογία είναι πώς να σχεδιάζουμε τις ιδέες μας με τρόπο που να είναι δυνατή η κατασκευή και η συναρμολόγηση τους. Είναι μια δεξιότητα που απαιτεί χρόνο για να μάθει κανείς, δουλεύοντας κυρίως με μηχανουργούς. Οι δυνατότητες της επιστήμης της μηχανικής υπαγορεύονται από το τι μπορούμε να κατασκευάσουμε και κάθε φορά που εφευρίσκεται μια νέα μέθοδος παραγωγής, οδηγεί σε νέες δυνατότητες που θεωρούνταν αδύνατες. Μία τέτοια νέα μέθοδος παραγωγής είναι η εκτύπωση 3D, η οποία επιτρέπει τον σχεδιασμό νέων εξαρτημάτων που ο συμβατικός εξοπλισμός δεν μπορεί παράξει.
Disclaimer: Απαγορεύεται η αναδημοσίευση, αναπαραγωγή, ολική, μερική ή περιληπτική ή κατά παράφραση ή διασκευή ή απόδοση του περιεχομένου του παρόντος διαδικτυακού τόπου με οποιονδήποτε τρόπο, χωρίς αναφορά στο RAWMATHUB.GR (με ενεργό link) ή χωρίς την προηγούμενη γραπτή άδεια του RAWMATHUB.GR.
Για παράδειγμα, οι κοίλες κατασκευές είναι πλέον δυνατές επιτρέποντας στους σχεδιαστές να ενσωματώσουν αγωγούς ψύξης εντός μηχανολογικών εξαρτημάτων, όπως πτερύγια στροβίλων και ακροφύσια πυραύλων.
Είναι δυνατόν πλέον να εφαρμόσουμε βελτιστοποίηση της τοπολογίας, όπου χρησιμοποιούμε τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων, έναν τύπο προσομοίωσης τάσης, για να εξακριβώσουμε που ακριβώς χρειάζεται υλικό επί του εξαρτήματος, δεδομένο που μας επιτρέπει να δημιουργήσουμε την τέλεια δομή για μία συγκεκριμένη εφαρμογή. Η παραγωγή ανάλογων κοίλων εξαρτημάτων, μας επιτρέπει, για παράδειγμα, να εξοικονομούμε βάρος βοηθώντας τα ελαφρά οχήματα να αποκτούν ακόμη μεγαλύτερη απόδοση.
Συχνά, η παραγωγή ενός εξαρτήματος μέσω της μηχανουργίας, ξεκινά από έναν μεγάλο όγκο πρώτης ύλης, και με συνεχή κατεργασία, προκύπτει η τελική μορφή του εξαρτήματος. Στις αεροπορικές εφαρμογές, μετράμε το υλικό που σπαταλάται, υπολογίζοντας την αναλογία της ποσότητας του υλικού που αποτελεί την πρώτη ύλη προς την ποσότητα που καταλήγει στο αεροπλάνο. Αν για παράδειγμα, το 90% ενός κράματος τιτανίου που κοστίζει 30 δολάρια το κιλό, απορρίπτεται, είναι κατανοητό ότι η μείωση του κόστους που μπορεί να προκύψει μέσω της 3D εκτύπωσης, είναι τεράστια.
Ωστόσο, παρά τα προφανή πλεονεκτήματα, σπάνια βλέπουμε εξαρτήματα εκτυπωμένα με τεχνολογία 3D, εκτός ίσως από περιπτώσεις πρωτοτύπων. Είναι σαφές ότι η 3D εκτύπωση μπορεί να οδηγήσει τις μηχανολογικές εφαρμογές στο επόμενο επίπεδο, αλλά τι είναι εκείνο που κάνει την υιοθέτηση της τεχνολογίας τόσο αργή;
Συνήθως, το πρώτο πρόβλημα είναι το κόστος. Εάν συγκρίνουμε το κόστος ενός τρισδιάστατα εκτυπωμένου εξαρτήματος, αυτό θα παραμένει υψηλό, ακόμα και μετά από πολλά εξαρτήματα, κυρίως λόγω του κόστους του εξοπλισμού τρισδιάστατης εκτύπωσης, αλλά και του εξαιρετικά μεγάλου χρόνου που είναι αναγκαίος για την εκτύπωση ενός εξαρτήματος. Αυτό δε συμβαίνει στις παραδοσιακές τεχνικές όπως για παράδειγμα η χύτευση. Συνεπώς η τρισδιάστατη εκτύπωση έχει οικονομικό νόημα μόνο για εξαρτήματα, για τα οποία το μοναδιαίο κόστος δεν αποτελεί κύριο κριτήριο, όπως ακριβώς στις περιπτώσεις των πρωτοτύπων. Αν το κόστος της πρώτης ύλης και του εξοπλισμού 3D εκτύπωσης μειωθούν σημαντικά, τότε είναι πιθανό να συμφέρει η εκτύπωση εξαρτημάτων και σε περιπτώσεις εκτός των πρωτοτύπων.
Σε κάθε περίπτωση, το κόστος δεν είναι ο μόνος παράγοντας που εμποδίζει την ευρεία υιοθέτηση της τεχνολογίας. Υπάρχουν περιορισμοί που προέρχονται από το πεδίο της Επιστήμης των Υλικών, κυρίως λόγω απουσίας σχετικής τεχνογνωσίας για τον τρόπο που επηρεάζει τις τελικές μηχανικές ιδιότητες του παραγόμενου εξαρτήματος η τρισδιάστατη εκτύπωση. Εδώ προκύπτουν νέα πεδία που απαιτούν μελέτη, σχεδόν από μηδενικό επίπεδο, έτσι ώστε να χτίσουμε τη σχετική τεχνογνωσία και να είμαστε σε θέση να κατασκευάσουμε υλικά με επιθυμητές ιδιότητες μέσω της νέας αυτής τεχνολογίας.
Η βελτιστοποίηση των μηχανικών και φυσικών ιδιοτήτων των τρισδιάστατα εκτυπωμένων εξαρτημάτων θα απαιτήσει μία καινοτόμο σύξευξη της μηχανολογίας και της επιστήμης των υλικών, σε συνδυασμό με υπολογιστικές μεθόδους, όπως η μηχανική μάθηση (machine learning). Αυτός ο συνδυασμός είναι απαραίτητος για να αναπτυχθεί η απαραίτητη τεχνογνωσία σε ένα εύλογο χρονικό διάστημα, αν επιθυμούμε η τεχνολογία να εδραιωθεί. Ωστόσο, ακόμη και σε αυτή την περίπτωση, θα πρέπει να μην ξεχνάμε ότι αυτή τη στιγμή στον κόσμο, υπάρχουν πιθανότατα πολύ λίγοι μηχανικοί υλικών με γνώσεις προγραμματισμού σε συστήματα μηχανικής μάθησης. Συνεπώς, η εδραίωση της τρισδιάστατης εκτύπωσης θα απαιτήσει, εκτός των άλλων, μια νέα γενιά μηχανικών με σύγχρονες δεξιότητες.
ΜΕΤΑΦΡΑΣΗ - ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: ΣΥΝΤΑΚΤΙΚΗ ΟΜΑΔΑ RAWMATHUB.GR
