Alors que l’impression 3D est devenue plus communla conception innovante n’a cessé de croître pour tirer parti de sa capacité à prototyper rapidement et à produire des objets partout où une machine peut être branchée.
Heather Wotton travaille sur un prototype pour l’équipe de premier cycle de fabrication de véhicules aériens robotisés parrainée par la NASA. Illustration par Alex Parrish pour Virginia Tech.
Virginia Tech a mis en œuvre des efforts à l’échelle du campus pour rendre la technologie facilement accessible à des endroits tels que le Bibliothèque Newmanla Collège de médecine vétérinaire de Virginie-Marylandla Collège d’architecture et études urbaines, et plus encore. Au sein de la faculté d’ingénierie, le Frith Makerspace de première année est disponible spécifiquement pour les nouveaux étudiants, en plus de diverses installations au sein des départements. Les étudiants ont également acheté leurs propres machines, saisissant les opportunités d’invention même dans les résidences universitaires et les immeubles d’habitation.
Au sein du Département de génie mécanique, le Laboratoire de conception, de recherche et d’éducation pour les systèmes de fabrication additive (DREAMS) pousse avec diligence l’impression 3D à son niveau supérieur. Directeur de laboratoire et professeur LS Randolph Chris Williams est un vétéran de la discipline depuis 25 ans, entré dans le domaine bien avant que l’impression 3D ne devienne un mot à la mode académique. Depuis l’arrivée de Williams sur le campus en 2008, son équipe a non seulement produit un flux constant d’objets innovants imprimés en 3D, mais elle a également mené des initiatives pour fabriquer de meilleures imprimantes, lancé de nouveaux matériaux et encadré la prochaine génération d’inventeurs.
De cet environnement unique, une année académique historique a vu le jour. Depuis le début des cours à l’automne 2021, plusieurs équipes d’étudiants ont accumulé une série de victoires importantes. Leur travail a introduit d’importantes économies de coûts pour l’industrie, catapulté de nouvelles possibilités de travail dans l’espace, des moteurs suralimentés et une qualité de vie enrichie.
Gagner des concours internationaux de design
Un groupe d’étudiants de premier cycle, encadrés par Williams et le chercheur postdoctoral Joseph Kubalak, a attiré l’attention de la NASA.
Les neuf membres conception senior équipe, travaillant directement à partir du laboratoire DREAMS, a obtenu un financement de 75 000 $ dans le cadre de Concours de subventions du comité de recherche du Sénat universitaire de la NASA créer un cellule de travail robotisée pour la production autonome d’un drone imprimé en 3D. Cela nécessiterait non seulement de produire des pièces individuelles, mais de les assembler et de créer un produit de travail final.
Le financement a permis à l’équipe de formaliser son idée de recherche en un défi : combiner la conception assistée par ordinateur, la mécatronique et la robotique, la programmation et l’analyse structurelle pour fabriquer le châssis du drone, intégrer l’électronique et gratter le drone terminé de la plaque. Si tout se passait bien, le drone fini pourrait s’envoler de la plaque et filmer une vidéo du prochain drone en cours de création.
Le processus d’un an de conception senior a donné exactement cela. L’équipe a commencé à l’ouverture du semestre d’automne, prenant quatre mois pour créer des conceptions conceptuelles et des solutions prototypes. Après les vacances, ils ont utilisé les cinq mois suivants pour déployer les machines qui imprimeraient et assembleraient le produit final.
Le premier drone s’est envolé de l’imprimante en avril.
Réaliser un projet aussi complexe en si peu de temps aurait été monumental pour une armée d’ingénieurs expérimentés, mais c’est particulièrement remarquable pour un groupe d’étudiants travaillant sur leur premier diplôme.
« Ce n’est pas votre imprimante 3D ordinaire », a déclaré Williams. « Il s’agit d’un robot industriel programmé pour imprimer en 3D et assembler des composants électroniques afin de permettre la fabrication autonome de systèmes mécatroniques complets. C’est un gros problème.
En cours de route, l’équipe d’étudiants de premier cycle a également remporté le premier prix du concours de conception de fabrication étudiante, organisé chaque année à Le forum international le plus important et le plus ancien d’Amérique du Nord pour la recherche appliquée et les applications industrielles dans la fabrication et la conception. Ce défi est administré à la fois par le Société des ingénieurs de fabrication (PME) et la Société Américaine des Ingénieurs en Mécanique.
Tadek Kosmal, le chef de projet de l’équipe senior, a commenté le semestre fou que lui et ses camarades de classe ont vécu.
« Il y a un an, si vous m’aviez dit que je ferais cela, que je ferais cela accompli, j’aurais dit non », a-t-il déclaré. « Encore moins dans ce court laps de temps. Maintenant, chaque fois que nous montrons la vidéo du drone volant de la plaque de construction, vous pouvez simplement la voir dans les yeux des gens. Ouah. Je l’ai fait. »
Un deuxième groupe de conception senior en génie mécanique a remporté le prix PME Défi de la fabrication numérique, un concours international annuel décerné chaque année lors de la plus grande conférence et exposition industrielle sur la fabrication additive (impression 3D) aux États-Unis. Le concours de cette année a mis au défi les étudiants universitaires de trouver des moyens innovants d’utiliser l’impression 3D pour résoudre les problèmes de la chaîne d’approvisionnement.
L’équipe de six étudiants de Virginia Tech, conseillée par Williams, son Ph.D. Sam Pratt, étudiant, et Daniel Braley, un sponsor industriel de Boeing, ont utilisé un nouveau procédé de fabrication additive métallique pour fabriquer des pièces de rechange difficiles à trouver pour les anciens avions de Boeing. Ils ont réduit les coûts, réduit le temps de production et même rendu les pièces plus légères que les pièces d’origine.
L’équipe d’étudiants a d’abord utilisé l’optimisation de la topologie pour reconcevoir une ancienne pièce afin de réduire la masse de la pièce tout en s’assurant que la pièce puisse survivre au chargement requis. L’équipe a ensuite utilisé le nouveau système de fabrication additive hybride à l’arc filaire du DREAMS Lab qui produit des pièces en couches avec soudage à l’arc filaire. Pendant l’impression, un outil de fraisage CNC dans la machine a raboté la surface de chaque couche pour assurer la cohérence de l’épaisseur et de la qualité. Une fois toutes les couches métalliques terminées, le routeur CNC a de nouveau été utilisé pour améliorer la finition de surface de la pièce, pour réduire davantage la masse de la pièce et pour finir soigneusement les surfaces de montage avec une grande précision. Cela a donné un produit final optimisé pour la résistance et le poids.
Le projet n’était pas axé sur la production d’une seule pièce, mais plutôt sur la fourniture d’un processus à l’entreprise qui pourrait permettre la production sur site à faible coût de composants d’avion de remplacement. En conséquence, les avions ne seraient plus cloués au sol en attendant de livrer des pièces de rechange – au lieu de cela, ils pourraient être rapidement fabriqués dans le hangar de l’avion.
Peu de temps après avoir réclamé leur prix aux PME Exposition RAPID + TCTl’équipe a participé à une émission en direct de la chaîne YouTube pour le Nerd de l’impression 3D. Dans cette émission, Ben Nguyen, membre du projet et senior en génie mécanique, a parlé à l’animateur Joel Telling du travail de l’équipe.
« Boeing est venu nous voir avec un problème de maintien en puissance de la flotte », a déclaré Nguyen. «Ils ont beaucoup d’avions plus anciens qui ont besoin de pièces de rechange uniques qui ne peuvent pas être fabriquées avec des moyens traditionnels. Cela prendrait beaucoup de temps et d’argent pour une partie.
Une fois optimisée, la méthode pourrait signifier une économie de millions de dollars pour Boeing et un énorme pas en avant pour l’avenir de l’impression 3D métal.
Gagner avec l’industrie
Braskem, une entreprise de filaments d’impression 3D, a développé un nouveau matériau d’impression 3D et a décidé de le tester en le mettant entre les mains d’étudiants de quatre universités.
La Concours de conception de dimensions 3D présenté Virginia Tech, Carnegie Mellon, Cal Tech et Penn State et a amené des instructeurs tels que Williams et professeur agrégé de génie chimique Michel Bortner dans la conversation avec de jeunes designers collégiaux. Auparavant, Braskem avait développé des relations avec des professeurs de ces universités pour avoir un aperçu de leurs programmes d’impression 3D et avait identifié les quatre écoles cibles comme ayant certains des meilleurs programmes du pays.
Le défi Braskem a été annoncé à l’échelle du campus et les étudiants ont proposé des conceptions de nouveaux produits dans les catégories aérospatiale/transport et mobilité/médical. Williams a créé une interface permettant aux étudiants intéressés de se connecter virtuellement et a publié le contenu pertinent de son propre cours d’impression 3D à titre indicatif. Lui et Bortner ont également fourni des installations de laboratoire pour les projets d’impression.
Braskem a fourni aux étudiants le filament dont ils avaient besoin et a donné aux concurrents un mois et demi à compter de l’inscription pour soumettre leurs idées. Les projets ont été jugés sur la base de la créativité, des avantages et des applications, de l’efficacité et de la conception, et de la qualité d’une pièce finale. Les deux catégories avaient un gagnant de première, deuxième et troisième place, pour un total de six prix décernés par l’entreprise.
Au total, 35 projets d’étudiants ont été soumis dans les quatre écoles, dont 18 ont été sélectionnés pour passer au tour de jugement final. À l’issue du concours, Virginia Tech a remporté tous les prix.
« Un aspect que j’aime chez Virginia Tech est que nos étudiants sont toujours à la recherche de nouvelles opportunités pour s’impliquer et acquérir de nouvelles compétences », a déclaré Williams. « Je continue d’être impressionné par leur engagement envers cette compétition. Beaucoup étaient occupés à apprendre de nouveaux logiciels et à concevoir, imprimer et tester leurs conceptions à la fin du semestre de printemps 2022 face à de nombreux autres engagements importants. Leur succès témoigne de l’excellence et de la diligence de nos étudiants. »
La première place dans la catégorie aérospatiale/transport est revenue à Matthew Stuart, étudiant en génie mécanique. Sa conception était pour un compresseur durable à faible coût pour un moteur à combustion interne, 100% personnalisable en fonction de la taille du moteur. Le compresseur propulse de l’air dans le moteur en le comprimant avec un petit moteur électrique, et Stuart a choisi de mettre l’accent sur la conception du système d’acheminement de l’air. En testant l’appareil sur un moteur de tondeuse autoportée, la conception a augmenté la puissance du moteur jusqu’à 10 %.
Stuart était satisfait du gain d’énergie qu’il a constaté lors des tests.
« Ce que je voulais vraiment voir, c’était plus de puissance du moteur que je n’en mettais électriquement dans le moteur », a déclaré Stuart. « Globalement, vous économisez de l’énergie, de l’argent, du gaz, en utilisant quelque chose comme ça. »
Dans la partie mobilité/médical du concours de Braskem, la première place est revenue aux majors en génie mécanique Joshua McLevain et Chase Basham pour avoir créé un brassard pouvant être utilisé par quelqu’un qui a perdu une partie d’un bras. Le brassard est personnalisable à la taille du bras d’une personne et offre un ajustement rapide et sûr pour les prothèses qui pourraient servir à différentes fins. Parce que l’ajustement est conforme aux mesures personnelles, le confort peut être maximisé pour répondre au mieux aux besoins uniques du corps de l’utilisateur.
McLevain et Chase ont également créé deux prothèses, une pour faire du vélo et une pour conduire une voiture. Parce que ces deux activités nécessitent une amplitude de mouvement différente, ces options prothétiques offrent à l’utilisateur des outils parfaitement adaptés à la tâche.
« J’ai toujours aimé le côté biomécanique du génie mécanique », a déclaré Basham. « Être capable de faire un projet comme celui-ci qui est très utile et aide les autres a toujours été un de mes intérêts. »
De la NASA aux prothèses, chacun des projets de cette année a été une réussite en soi. Ensemble, ils stockent un mur de trophées pour de nouvelles solutions qui rendent le monde meilleur, et ne sont pas une petite source de fierté pour un professeur qui observe l’énergie créative et l’ingéniosité en action. Williams reste un ardent fan des étudiants qui produisent cette énergie et cette ingéniosité, et est également un peu étonné des récompenses remportées par les jeunes ingénieurs qui débutent leur carrière.
« Virginia Tech a remporté la première place dans les deux concours internationaux de conception d’étudiants en impression 3D organisés par SME », a-t-il déclaré. « Cela n’a jamais été fait auparavant. De plus, non seulement Virginia Tech n’était qu’une des quatre universités invitées à participer à un concours universitaire parrainé par l’industrie, mais nos étudiants ont également remporté tous les prix disponibles. Ces résultats montrent vraiment la passion et la volonté de nos étudiants d’innover avec les futures technologies de fabrication de pointe.
La source: VirginieTech
