Une équipe de Sandia National Laboratories a construit un télescope pour montrer comment concevoir pour la fabrication additive, familièrement appelée impression 3D, pour profiter des forces et faiblesses de la technique.

Le projet de recherche et développement dirigé par un laboratoire de trois ans de Sandia a prouvé la faisabilité de l'utilisation de la fabrication additive comme un tout nouvel outil de conception, très différent de la technique standard consistant à passer du dessin à la main à la conception assistée par ordinateur à l'usinage de pièces, dit Ted Winrow, un ingénieur en mécanique qui a dirigé le projet.

Au lieu de se concentrer sur l'impression de pièces de précision, le projet s'est concentré sur la façon d'assembler des pièces imprimées en 3D moins précises avec des outils précis, profiter du prototypage rapide, conception et fabrication possibles grâce à la fabrication additive.

"C'est la nuance qui semble se perdre, qu'il faut concevoir différemment, " Winrow a déclaré. " Il ne se connecte pas à un processus de conception standard. "

L'équipe a créé un poids plus léger, télescope au sol moins cher dans environ un tiers du temps d'un télescope de fabrication traditionnelle pour environ un cinquième du coût, il a dit. Ils ont utilisé des composants imprimés en 3D, conception modulaire et, pour la conception optique du télescope, algorithmes de correction d'image qui ont également permis d'économiser de l'argent.

La technique déplace l'argent des coûts récurrents, "où chaque pièce doit être précise, aux frais non récurrents, où vous achetez juste un ensemble d'outils que vous pouvez utiliser pendant peut-être 10 ans, " Winrow a déclaré. " Ainsi, lorsque vous effectuez des séries de production, vous obtenez des économies de coûts. Vous gagnez du temps car vous n'attendez pas que chaque pièce soit réalisée" par usinage.

Tolérances exactes versus assemblage précis

Il y a deux manières d'aborder la construction de n'importe quelle structure de précision :fabriquez chaque pièce avec des tolérances exactes afin que l'assemblage soit simple, ou réaliser des pièces plus grossières et utiliser un processus d'assemblage très précis qui compense les manques de dimensions.

L'usinage crée des pièces aux dimensions extrêmement précises, mais il ne peut pas faire bon marché, ou dans certains cas, faire du tout, les étranges motifs imprimés en 3D qui peuvent présenter des avantages en termes de fonction et de poids. La fabrication additive forme le matériau :polymère, en céramique ou en métal, en même temps il crée une pièce. Des recherches sont en cours pour déterminer comment cela affecte les propriétés des matériaux et si les changements de propriétés ont de l'importance dans une utilisation particulière.

Concevoir, cependant, est une question distincte.

« Pouvons-nous concevoir un système qui ne se soucie pas si votre matériau n'est pas aussi bon que vous l'espériez ? Pouvez-vous concevoir un système qui ne se soucie pas que vos pièces ne soient pas aussi précises dimensionnellement ? » dit Winrow. "Si vous vous rendez insensible aux choses pour lesquelles cet additif n'est pas très bon, vous profitez de toutes ses bonnes choses."

Par exemple, une caméra standard a un rebord, qui doit être très précis car la position de ce rebord définit exactement où se trouve un objectif. le projet de Sandia, travailler avec des lentilles pour le télescope, créé un cylindre droit sans rebords. Au lieu, "nous tenons la lentille à une position très précise à l'aide d'un outillage très précis. Nous tenons la lentille au bon endroit puis nous injectons de l'époxy autour et la verrouillons en place, " a déclaré Winrow. "Nous pouvons fabriquer des pièces moins précises en ce qui concerne les dimensions en raison de l'époxy dans le processus. C'est l'outillage qui est précis."

Sandia a déposé un brevet pour un monolithique, flexion de titane qui fait partie de la monture du miroir du télescope. Une flexion fait référence à une large gamme d'éléments utilisés comme des joints entre des corps rigides. La motion commune, soit linéaire, soit tournant, est produit par pliage de l'élément. Le montage rigide du métal sur le verre ne fonctionne pas car les deux matériaux se dilatent et se contractent à des vitesses différentes lorsque la température change, et le verre pourrait se déformer ou même se fissurer.

Une flexion agit comme un ressort, bien qu'il ne ressemble pas à un ressort hélicoïdal. La conception de Sandia est à peu près cylindrique, environ 2 pouces de long et 3/4 de pouce de diamètre, avec des lames flexibles très fines. Trois supports flexibles se fixent aux miroirs avec de l'époxy, soulager les contraintes d'expansion et de contraction là où les miroirs se fixent à une épine dorsale en fibre de carbone.

Sandia demande un brevet pour une pièce conçue pendant le projet

L'équipe de conception mécanique de précision a travaillé sur le projet avec le concepteur optique de Sandia Jeff Hunt et les auteurs d'algorithmes Dennis Lee et Eric Shields. Winrow a déclaré que la conception de l'objectif crée une image brute avec des distorsions et d'autres erreurs. Les algorithmes logiciels corrigent mieux que d'autres certains types d'erreurs, les erreurs dans la conception de la lentille sont donc du type que les algorithmes corrigent bien, il a dit.

« L'idée était que vous pourriez avoir une optique moins précise et la corriger avec un logiciel, essentiellement après coup. Semblable à la façon dont nous avons conçu le matériel mécanique pour être insensible aux lacunes de la fabrication additive et tirer parti de ses avantages, Jeff a optimisé l'optique du système afin que le logiciel conserve les propriétés de l'image que les algorithmes n'auraient pas pu corriger aussi bien, " Winrow a déclaré. " Vous pourriez obtenir les mêmes performances que vous pourriez avoir si vous dépensiez trois fois plus d'argent pour une meilleure optique. "

Le projet est terminé, mais les concepteurs structurels de Sandia en utilisent maintenant les informations, il a dit.

"C'est ce que le projet envisageait, comment ces moyens pourraient le rendre plus rapide, moins cher et tout aussi bon, " dit Winrow. " Si vous parlez de choses que vous pouvez abandonner, des choses que vous pouvez compenser après coup, cela ouvre des domaines du côté de la conception."