Ju tyngre ett flygplan är, desto mer bränsle behöver den för att hålla sig under flygningen. Varje enskild del läggs till flygplanets totala vikt, från vingarna till motorerna till bultarna som håller ihop allt. De många delarna som utgör ett fordon tillverkas traditionellt med hjälp av olika bearbetningsprocesser där råmaterial skärs till sin önskade slutliga form. Dock, traditionella bearbetningsprocesser som fräsning eller slipning är begränsade när det gäller att optimera former för den lägsta vikten. Dessa traditionella bearbetningsmetoder har lett till att tillverkare har skapat många separata delar som passar ihop – men det behöver inte vara fallet.

Kate Whitefoot, en biträdande professor i maskinteknik och teknik och offentlig politik, och Levent Burak Kara, professor i maskinteknik, utvecklar metoder som gör det möjligt för tillverkare att konsolidera diskreta delar, genom att ta flera delar i olika storlekar och designa om dem till en enda del. Denna kontinuerliga del skulle sedan kunna 3-D-printas i metall.

Additiv tillverkning, även känd som 3D-utskrift, möjliggör framställning av nya former som tidigare inte kunde produceras. Som medlemmar av Carnegie Mellons NextManufacturing Center, Whitefoot och Kara använder additiv tillverkning för att ombilda vad som är möjligt när man skapar komponentdelar.

"Vad konsolidering av delar tillåter oss att göra är att monolitiskt tillverka komponenter som normalt skulle behöva sättas ihop, " säger Whitefoot. "Detta kan avsevärt minska kostnaderna för att tillverka dessa delar, och även potentiellt tillåter oss betydande viktbesparingar. Så detta är något som tillverkarna verkligen är intresserade av, särskilt inom industrier som flyg- och bilindustrin."

Genom att konsolidera flera delar i olika storlekar till en del, Whitefoot kan minska antalet fästelement, ta bort passande ytor associerade med delarna, och monolitiskt skriv ut dessa delar. Under vissa förutsättningar, detta kan göra dem starkare än flera delar som var, till exempel, sammansvetsade.

Genom att omforma delarnas geometri för att ytterligare minska vikten, Whitefoots forskning kan revolutionera många industrisektorer – särskilt flyg- och bilindustrin. När delkonsolidering utnyttjas för att få ner produktionskostnaderna i samband med processen, additiv tillverkning blir mer kostnadskonkurrenskraftig med mer traditionella tillverkningsmetoder. Genom att konsolidera delar, Whitefoot och Kara minskar inte bara produktionskostnader och viktbesparingar, men också avsevärt minska den tid som ägnas åt att skriva ut bygget.

En anledning till att detta är så attraktivt inom flygsektorn är att pund direkt översätts till bränsleanvändning under flygplanens livstid. Varje uns som sparas genom att optimera en dels storlek och vikt kan hjälpa till att kompensera för bränsleförbrukningen, vilket minskar kostnader och miljöpåverkan.

"Om vi ​​kan använda dessa metoder för att avsevärt minska produktionskostnaderna, då skulle många fler industrier kunna ta till sig tillsatser och sedan dra nytta av de prestandafördelar som det kan ge, säger Whitefoot, "som inkluderar att öppna upp designutrymmet och potentiellt orsaka betydande viktbesparingar, har enorma kostnads- och miljöfördelar när det kommer till applikationer där vi översätter till bränsleanvändning."

Att kunna slå samman delar och producera dem som en enda monolitisk del är ett stort steg för tillverkning av delar, men forskarna vill ta det ett steg längre – mot automatisk omdesign. Whitefoot samarbetar med Kara för att automatisera optimeringen av metalldelars former skapade genom additiv tillverkning – minimera vikten av dessa delar, samt produktionskostnaden.

"Med framsteg inom additiv tillverkning, nu kan vi tillverka mer komplexa geometrier, " säger Kara. "En sak som gör additiv topologioptimering attraktiv är att vi nu kan tillverka delar som bara var teoretiskt möjliga tidigare. Inom delarna, komplexa inre geometrier kan produceras för att minimera delens totala massa, samtidigt som man säkerställer att strukturen kan motstå alla yttre krafter som appliceras på den, liksom en traditionellt bearbetad del kunde."

Whitefoot och Kara utvecklar metoder som möjliggör automatisk optimering av delar. Med denna forskning, en tillverkare kan ladda upp en CAD-fil med en uppsättning delar, och dessa metoder skulle automatiskt mäta det optimala sättet som denna uppsättning delar bör konsolideras.

"Att ta flera delar och automatiskt kunna syntetisera dem till en unik geometrisk del kanske inte varit genomförbart tidigare, Kara tillägger, "men med additiv tillverkning, vi kan nu inte bara optimera för den bästa kombinationen av dessa delar, vi kan faktiskt skapa de delar som var omöjliga att skapa med traditionella bearbetningsmetoder."

Whitefoot och Kara genomgår för närvarande ett första ettårigt projekt med Boeing för att demonstrera genomförbarheten av de metoder de har utvecklat. På den kommersiella marknaden, det tar tid att gå från att ha en fungerande metod i forskningsstadiet till faktisk kommersiell livsförmåga – men forskarna förutspår att denna teknik kan vara tillgänglig kommersiellt inom en femårig tidshorisont.

"Vi gör detta för att hjälpa ingenjörer och designers inom additiv tillverkning effektivisera processen att skapa mer automatiserade verktyg, säger Whitefoot, "så additiv design kan verkligen gå från en konst till en vetenskap."