Schlagen über Ihr Gewicht hinaus

Nehmen Sie von Knoxville aus eine halbe Stunde lang die I-40 nach Westen, biegen Sie auf den Highway 95 nach Norden ab und schon bald erreichen Sie eine Regierungseinrichtung, die die Welt zu einem ganz anderen Ort gemacht hätte, wenn sie nie gebaut worden wäre. Der Physiker Enrico Fermi arbeitete einst hier, ebenso wie unzählige andere Wissenschaftler, deren Namen weniger bekannt sind, deren Arbeit aber nicht weniger wichtig für die Verteidigung unseres Landes war.

Das liegt daran, dass das Oak Ridge National Laboratory (ORNL) den ersten kontinuierlich betriebenen Kernreaktor der Welt beherbergte; Es lieferte das spaltbare Material, das die Atombombe antreibt, eine Waffe, deren Einsatz – obwohl verheerend – höchstwahrscheinlich Millionen weiterer Kriegsopfer verhinderte.

Seit diesem berüchtigten Tag hat die ORNL ein weitaus friedlicheres Mandat. Sein Motto? Große Probleme lösen.

Ein kurzer Blick auf die Website der Organisation zeigt umfangreiche Forschung zu einer Reihe dieser „großen Problembereiche“, darunter künstliche Intelligenz, Quantencomputing, saubere Energie, Cybersicherheit und Materialentwicklung. Wissenschaftler haben hier bessere Batterien entwickelt, effektivere Wege zur Reduzierung des Kohlenstoffausstoßes und zum Recycling von Plastik gefunden und erste Schritte zur Entschlüsselung der Geheimsprache der Pflanzen unternommen. Einfach ausgedrückt: Hier wird ernsthafte Wissenschaft betrieben.

Brian Post arbeitet seit 2013 am ORNL, nachdem er seinen Ph.D. erworben hatte. in Maschinenbau vom Georgia Institute of Technology. Heute leitet er die Manufacturing Systems Design Group, wo er einen Großteil seiner Zeit damit verbringt, den 3D-Druck und andere fortschrittliche Fertigungstechnologien in neue, oft überraschende Richtungen zu lenken.

Besucher von IMTS-Ausstellungen aus der Zeit vor COVID-19 hatten beispielsweise die Möglichkeit, im Strati und dann im Olli herumzufahren, zwei 3D-gedruckten Fahrzeugen, die durch Posts Arbeit im Bereich der großtechnischen additiven Fertigung (AM) ermöglicht wurden. Er und ein Forscherteam haben diese und andere additive Fähigkeiten weiter verbessert und dazu beigetragen, sie einzusetzen, was zu bedeutenden, möglicherweise branchenverändernden technologischen Veränderungen geführt hat.

„Oak Ridge empfängt jedes Jahr Tausende von Besuchern, wobei die Mehrheit einzelne Unternehmen vertritt“, sagte Post. „Davon schließen etwa 50 eine kooperative Forschungs- und Entwicklungsvereinbarung (CRADA) mit meinem Team ab. Wir arbeiten mit ihnen zusammen, um Herausforderungen zu lösen, grundlegende Lösungen zu entwickeln und die Technologie voranzutreiben. Ich bin stolz darauf, sagen zu können, dass wir bei diesen Industriepartnerschaften eindeutig über uns hinauswachsen.“

Solche Partnerschaften seien keine Einbahnstraße, fügte er hinzu. „Sie sind für uns eine wichtige Lebensader, um zu wissen, wie wir unsere Technologieentwicklung vorantreiben können. Beispielsweise verschafft uns eine industrielle Anziehungskraft in eine bestimmte Richtung oder in einen bestimmten Anwendungsbereich Einblick. Dadurch bleiben wir mit dem in Verbindung, was die Branche braucht, und sorgen dafür, dass wir in einem Tempo arbeiten, das für den Stream relevant ist.“

Es unterstützt auch die Richtlinien des Energieministeriums (DoE), das einen Großteil der Arbeit des ORNL finanziert. Die erste davon besteht darin, zur Reduzierung des industriellen Energieverbrauchs beizutragen. Dabei geht es vor allem um Leichtbau, höhere Kraftstoffeffizienz und die Entwicklung effizienterer Herstellungsprozesse. An zweiter Stelle steht die Unterstützung der Ziele der Regierung hinsichtlich CO2-Reduzierung und umweltfreundlicherer Technologieräume, gefolgt von der Unterstützung amerikanischer Unternehmen dabei, auf dem globalen Markt wettbewerbsfähiger zu werden, was laut Post bedeutet, „Hand in Hand mit unseren Industriepartnern zusammenzuarbeiten, um Technologien zu entwickeln, die davon profitieren.“ Vereinigte Staaten."

„Unsere Aufgabe ist es, amerikanischen Unternehmen zum Erfolg zu verhelfen“, bemerkte er. „Wir sind auch Verwalter öffentlicher Mittel, die der amerikanischen Industrie helfen sollen, sie wettbewerbsfähiger zu machen und durch fortschrittliche Fertigungstechniken erfolgreich zu sein.

Es liefert bedeutende Ergebnisse. Post stellte fest, dass seine Gruppe insgesamt mehr als eine Milliarde US-Dollar an industrieller Wirkung erzielt hat. Vor der Entwicklung des 110.000 Quadratfuß großen DoE-Geländes. Manufacturing Demonstration Facility (MDF) – eine Benutzereinrichtung am ORNL – hatte der größte kommerziell erhältliche 3D-Drucker im Jahr 2012 Abscheidungsraten von fünf Kubikzoll Material pro Stunde und produzierte Teile, die nicht größer als ein Koffer waren.

Dank der Zusammenarbeit mit Unternehmen wie Lincoln Electric, Cincinnati, GKN Aerospace, Lockheed Martin und Dutzenden anderen Herstellern – von denen viele Mitarbeiter über längere Zeiträume mit Post und seinem ORNL-Team zusammenarbeiten – ist die groß angelegte additive Fertigung (LSAM) erfolgreich werden fast alltäglich. „Mittlerweile sind rund mehrere Dutzend Unternehmen in diesem Bereich aktiv, wo es vorher keine gab“, sagte er.

Ihre Arbeit ist weder vollständig additiv, noch ist alles groß angelegt. Zu den weiteren bemerkenswerten Projekten gehört die Entwicklung einer Brennstoffkanisterhalterung aus feuerfestem Metall für das Kernkraftwerk Browns Ferry in Alabama. Sie haben Inconel 718-Turbinenschaufeln für Heißbrandtests hergestellt und Wege gefunden, Seltenerdmagnete wiederzuverwenden. In der Zwischenzeit verspricht ein neu entwickeltes robotergestütztes additives Fertigungs- und Formpressverfahren (AMCM), das laut Post vollständig dichte Verbundteile mit hervorragenden Materialeigenschaften herstellt, Produktionsraten auf Automobilniveau zu unterstützen.

Darüber hinaus haben sie umfangreiche Untersuchungen zur mikrostrukturellen Kontrolle beim 3D-Druck durchgeführt. „Durch die Kontrolle der lokalen Abkühlungsraten und der Art und Weise, wie wir beim Elektronenstrahl- und Metallpulverdrucken Energie einbringen, konnten wir die Kornstruktur innerhalb eines monolithischen Blocks modifizieren, um die Mona Lisa nachzubilden“, sagte er. „Man kann es nur auf einer Mikroaufnahme sehen, aber es ist ziemlich cool.“

Am anderen Ende des AM-Spektrums interessiert sich Post für den Großdruck von Beton, eine Aktivität, die genau zu den Zielen des DoE in Bezug auf Energieeffizienz und umweltfreundliche Fertigung passt. „Die Betonproduktion macht einen großen Teil des industriellen Energieverbrauchs aus. Wenn es also eine Möglichkeit gibt, weniger davon zu verbrauchen, können wir eine erhebliche Menge Energie einsparen und gleichzeitig die CO2-Emissionen reduzieren, die etwa 8 Prozent des globalen Fußabdrucks ausmachen. ”

Wie viele in der AM-Branche festgestellt haben, dient die Topologieoptimierung dazu, den Materialverbrauch zu reduzieren und gleichzeitig die Festigkeit der Teile zu erhöhen, und bei Betonstrukturen ist das nicht anders. Die Herausforderung besteht dann darin, diese Strukturen in einem Maßstab zu bauen, der weit über den von 3D-gedruckten Autos und Pressformen hinausgeht. Dazu ist nicht nur eine wirklich riesige Werkzeugmaschine erforderlich, sondern auch eine, die ein Bauunternehmen ohne allzu große Kosten und Mühen vor Ort einsetzen kann.

„Einige Bauherren von Wohnhäusern haben für diese Anwendung große Portalroboter eingesetzt, deren Größe jedoch begrenzt ist“, sagte Post. „Wir haben etwas Ähnliches wie die kabelbetriebenen Skycams entwickelt, die man bei Sportveranstaltungen sieht, aber anstelle einer Kamera würde es einen Betonextruder haben. Ein solches Design würde eine schnelle Einrichtung vor Ort, auch an abgelegenen Standorten, ermöglichen und eine minimale Infrastruktur erfordern. Wir haben es SkyBAAM genannt.“

Obwohl die SkyBAAM-Technologie (Big Area Additive Manufacturing) noch nicht ganz einsatzbereit ist, hat das Team von Post ein Prototypsystem konstruiert und damit einige kleine Strukturen gebaut. Sie begannen auch mit der Entwicklung alternativer Zementformulierungen, die weniger energieintensiv sind und weniger CO2 erzeugen. „Statt wie bei Portlandzement auf hydraulische Reaktionen zu setzen, verwenden wir ein Bindemittel, das durch die Aufnahme von Kohlendioxid aus der Atmosphäre aushärtet.“

Post erwarb seinen Bachelor-Abschluss in Maschinenbau an der Purdue University. Zu diesem Zeitpunkt plante er eine Karriere in der chirurgischen Robotik. Ein Sommerpraktikum am ORNL bei Professor Lonnie Love änderte seine Pläne. Während er mit einer Robotikgruppe zusammenarbeitete, die menschliche Exoskelette, Schiffsbewegungssimulatoren und omnidirektionale Fahrzeuge herstellte, beteiligte sich Post an einem DARPA-Projekt „Revolutionizing Prosthetics“.

„Das war ungefähr im Jahr 2008, und viel zu viele Soldaten kehrten mit fehlenden Gliedmaßen aus dem Irak und Afghanistan zurück“, sagte er. „DARPA war sehr daran interessiert, die nächste Generation von Prothesen zu entwickeln, etwas, das Kriegskämpfern größere Fähigkeiten verleihen würde als ein Stock mit einem Haken daran. Also begannen wir mit der Arbeit an kleinen hydraulischen Geräten, mit winzigen Aktuatoren, Pumpen und Akkumulatoren. Wir bauten ein Ellenbogengelenk, das alle sechs Sekunden 60 Pfund beugen konnte, und einen Finger, der 25 Pfund beugen konnte, aber bald stellten wir fest, dass wir Dinge entwarfen, die wir nicht mehr herstellen konnten.“

Das Team wandte sich dem direkten Metall-Laser-Sintern (DMLS) und anderen additiven Technologien zu, um Teile herzustellen, die mit der herkömmlichen Fertigung nicht möglich waren. Das, so Post, sei seine Einführung in den 3D-Druck gewesen. Er kehrte nie um. „Als ich meinen Ph.D. abgeschlossen hatte. Als ich von der Georgia Tech zurückkam, ging ich nach Oak Ridge und begann nach Möglichkeiten zu suchen, mein Robotikwissen zu nutzen, um den Zustand additiver Systeme zu verbessern.“

ORNL unterstützt sechs der sieben führenden AM-Technologien. Auf die Frage, welches sein Favorit sei, gab Post zu, dass er eine gewisse Vorliebe für die Hybridfertigung habe, mit der er die meiste Zeit verbringt. Er stellt schnell fest, dass es sich dabei um zwei unterschiedliche Technologien handelt: die hybriden CNC-Werkzeugmaschinen von Mazak, DMG Mori und Okuma (alle arbeiten mit ORNL zusammen), die additive und subtraktive Fertigung in derselben Anlage sowie Hybrid kombinieren Prozesse, die es dem Hersteller ermöglichen, Arbeiten schnell und präzise zwischen komplementären Maschinen hin und her zu bewegen.

„Wenn wir herausfinden können, wie wir diese Systeme effektiv nutzen können, wird das viele Anwendungsmöglichkeiten eröffnen, insbesondere in der Guss- und Schmiedeindustrie, wo die USA in den letzten Jahrzehnten so viele unserer Fähigkeiten verloren haben“, sagte er. „Wenn wir einen Teil davon durch Investitionen in fortschrittliche Fertigungstechnologie wiederherstellen können, werden wir meiner Meinung nach einen erheblichen Mehrwert erzielen.“

Additiv oder nicht, es ist dieser letzte Punkt, der die Aufmerksamkeit von Post auf sich gezogen hat, und das zu Recht. „Wir haben so viel verloren, nicht nur beim Gießen und Schmieden, sondern auch in anderen Fertigungsbereichen. Wenn Sie eine ganze Branche ins Ausland verlagern, verlieren Sie nicht nur die Investitionsgüter und die Gebäudeinfrastruktur; Sie verlieren die Menschen und das Wissen, das sie in sich tragen. Das wieder aufzubauen ist nicht einfach. Wir müssen Menschen in fortschrittlichen Fertigungstechnologien ausbilden, neue Industrien schaffen, die auf diesen Dienstleistungen basieren, und dann die Branche als Ganzes langfristig unterstützen; Wir müssen die amerikanische Produktion kostengünstiger und flexibler machen als je zuvor. Darin liegt eine große Chance, aber was noch wichtiger ist: Es ist das Richtige für unser Land.“