Interview:Dr. Billy Wu vom Imperial College London

Heute setzen wir uns auf dem Blog mit Dr. Billy Wu vom Imperial College zusammen, um über die Anwendungen des 3D-Drucks in Forschung und Lehre zu diskutieren, wie Imperials Studenten ihre 3D-gedruckten Prototypen in Geschäftsmöglichkeiten umwandeln und das revolutionäre neue Metalldruckverfahren seines Teams.

Gibt es einen bestimmten Moment, in dem Sie entschieden haben, dass 3D-Druck etwas für Sie ist?

Ich bin Dozent an der Dyson School of Design Engineering hier bei Imperial. Ich bin eigentlich seit 12 Jahren hier, seit meinem Bachelor. Ich bin jetzt Konstruktionsingenieur, habe aber im Maschinenbau angefangen, also habe ich in meiner Ausbildung sehr viel gelernt, Dinge auf der Mühle, der Drehmaschine und ähnlichen Technologien herzustellen. Wir haben die Freude an guten technischen Zeichnungen, Toleranzen usw. gelernt.

Als ich promovierte, war es ziemlich experimentell, also musste ich viele Komponenten für Rigs und so weiter herstellen. Obwohl ich sie aus Metall herstellen konnte, war es viel einfacher, sie in 3D zu drucken. Ungefähr zu dieser Zeit war der Preis für 3D-Drucker gesunken, und ich brauchte nicht immer Dinge aus Metall, daher war es für mich eine viel einfachere Technologie in Bezug auf die Produktionsgeschwindigkeit. Das ist mir geblieben, und jetzt, wo wir hier bei Imperial einen Designkurs machen, liegt der Schwerpunkt darauf, so schnell wie möglich zu produzieren.

Das Ethos von „Fail Fast“ ist gut! Man kann mehrere Wochen damit verbringen, ein Bauteil herzustellen, nur um festzustellen, dass es nicht das gewünschte ist. Die extrem schnelle Fertigung war daher für Forschung und Lehre äußerst attraktiv.

Seitdem haben wir unsere 3D-Druckfunktionen erweitert. Wir haben eine Reihe von Kunststoff-3D-Druckern, die wir mit den Studenten verwenden, einschließlich FDM- und Polymer-Jetting-Maschinen, zusammen mit exotischeren Druckern wie Verbund-3D-Druckern, die in Kohlefaser drucken können. Wir betreiben auch eine Produktionsstätte für die additive Fertigung von Metallen für die Spitzenforschung, wie die Herstellung von Komponenten für medizinische orthopädische Implantate, Komponenten für die Luft- und Raumfahrt usw.

Wie sind Sie von der Verwendung des 3D-Drucks ausschließlich für Ihre eigene Forschung zur Verwendung bei Studenten der gesamten Universität gekommen?

Eines der Dinge, die ich hier bei Imperial mitleite, ist der Imperial College Advanced Hackspace. Eines der anfänglichen Probleme beim 3D-Druck für Studenten war die Eintrittsbarriere. Wenn ein Student eine Idee hatte und einen Prototypen erstellen wollte, war es sehr schwierig, in die Werkstatt zu kommen, wenn dies nicht im Stundenplan oder im Lehrplan enthalten war. Wir wollten diese Barrieren abbauen und haben daher unseren Hackspace gestartet, der es jedem Studenten bei Imperial ermöglicht, auf unsere Fertigungskapazitäten zuzugreifen – völlig kostenlos. Seitdem geht es richtig los. Das College hat dazu beigetragen und erlaubt uns, unsere Fähigkeiten zu erweitern, während sie die Ergebnisse gesehen haben.

Wir führen auch einen gemeinsamen Master mit dem Royal College of Art namens Innovation Design Engineering (IDE). In diesem Studiengang gründen etwa 60 % der Studierenden ihr eigenes Spin-off-Unternehmen. Sie haben eine coole Idee, sie prototypieren sie und stellen sie dann an Orten wie der Venture Capitalist Challenge vor, die wie ein Drachenbau-Wettbewerb ist, oder führen ein Kickstarter-Projekt durch.

Das College hat den Wert von Rapid Manufacturing wirklich erkannt und deshalb immer mehr darin investiert.

Wie sieht die Lernkurve aus, wenn die Schüler dies zum ersten Mal versuchen, insbesondere wenn es darum geht, ihre Dateien druckbar zu machen?

Es hängt davon ab, mit wem Sie sprechen. Einige Studenten sind sehr erfahren im Umgang mit CAD, konstruieren aber immer noch Komponenten mit Blick auf die traditionelle Fertigung. Was mich frustriert ist, wenn Studenten zu mir kommen und zum Beispiel einen Würfel drucken wollen. Sie haben noch nicht ganz erkannt, dass sie all diese anderen Dinge mit der Technologie tun können. Im Moment wird es nur als gleichwertiger Ersatz für die traditionelle Fertigung angesehen, was bedeutet, dass wir nicht das Beste aus der Technologie herausholen.

Wenn Sie einen echten Durchbruch in der additiven Fertigung erzielen möchten, müssen Sie für die additive Fertigung konstruieren. Sie können Optimierungsalgorithmen verwenden, bei denen Sie sagen könnten:„Ich brauche eine Komponente, die diese beiden Dinge an diesen beiden Punkten zusammenhält. Schaffen Sie mir eine Struktur, die die Last trägt und so leicht wie möglich ist.“ Wir machen hier viel computergestütztes Design, bei dem wir den Computer entscheiden lassen, welche Form eine Komponente haben soll, anstatt zu sagen (zum Beispiel):„Ich werde für diese Komponente einen Entwurf von 10 Grad haben, weil ich denke, es sieht richtig aus“. Ein Computer kann zu einer nicht intuitiven Lösung gelangen, da er Millionen von Optionen durchprobiert, bevor er die optimale ermittelt.

Wir sagen oft, dass 3D-Druck den Herstellungsprozess beschleunigt. Es beschleunigt zwar die eigentliche Herstellung, die Vorverarbeitung kann jedoch ziemlich lange dauern. Wenn Sie also einen Computer dazu besorgen können, ist es billiger und viel effektiver.

Seit der Einführung des 3D-Drucks bei Imperial, was waren einige der wirklichen Erfolgsgeschichten, die Sie gesehen haben?

Ein sehr cooles Projekt war die Entwicklung eines neuen 3D-Druckverfahrens. Das Konzept war, dass Sie, wenn Sie an einen entfernten Ort (zum Beispiel den Mond!) Einer unserer IDE-Studenten, Markus Kayser, hat zu diesem Zweck einen sogenannten „Solarsinterer“ entworfen, als er in die Sahara ging. Dieser Drucker war im Wesentlichen eine Schachtel mit einer großen optischen Linse, die das Licht der Sonne auf einen bestimmten Punkt fokussierte, mit dem er den Sand schmelzen konnte. Indem er diesen Punkt bewegte, konnte er den Sand verwenden, um effektiv Glas in 3D zu drucken, sodass er Dinge wie Schüsseln, Kunstwerke usw. herstellen konnte. Sie könnten sogar Gebäude daraus bauen!

Die Leute sprechen oft von der Kreislaufwirtschaft, bei der wir unsere Abfallprodukte wiederverwenden, und der 3D-Druck spielt dabei eine große Rolle, insbesondere bei der Nutzung lokaler Ressourcen. Wenn Sie beispielsweise eine Mine entwickeln und das gewünschte Gebäude in 3D drucken, ist dies sinnvoller, als die Materialien an einen entfernten Ort zu versenden. Es geht auch um die Wiederverwendung der verfügbaren Materialien. Ich leite hier eine Forschungsgruppe, in der wir versuchen, neue Arten des 3D-Drucks zu entwickeln, mit einem der langfristigen Ziele. Wir machen viel mit direktem Metall-Lasersintern mit einem Renishaw AM250, aber wir möchten, dass der Metalldruck mehr Verbraucherniveau erreicht, daher ist eine andere Art von Technologie erforderlich.

Wir haben gerade einen Artikel über einen neuen Metall-3D-Drucker veröffentlicht, der einer FDM-Maschine ähnelt, also ein Desktop-Gerät sein kann. Der Prozess ähnelt dem Galvanisieren, bei dem eine Spannung in einer Beschichtungslösung angelegt wird, wodurch das Metall im Bad auf ein Objekt bewegt wird. Dieses Verfahren gibt es seit Jahrzehnten, daher wissen wir, wie man Metalle sehr leicht bei Raumtemperatur absetzt. Wir nahmen eine Spritze, füllten sie mit der Beschichtungslösung (in diesem Fall Kupfersulfat) und verwendeten sie als 3D-Drucker, um das Metall in die gewünschte Struktur zu manipulieren. Der Vorteil davon ist, dass es additiv ist – da Sie metallische Strukturen drucken können, indem Sie das Potenzial ein- und ausschalten – aber es ist auch subtraktiv, da Sie durch das Umschalten des Potenzials von positiv auf negativ das Metall tatsächlich wieder in die Lösung zurückkorrodieren können, um weiter zu korrodieren Forme das Teil.

Ich verwende immer das Beispiel, dass Sie, wenn Sie jemals in den Weltraum geflogen sind, einen Schraubenschlüssel in 3D drucken möchten, aber Sie möchten dieses Material auch wiederverwenden können. Bei unserer Methode geht das Material durch die Umkehrung des Potenzials einfach wieder in die Lösung zurück, sodass es wiederverwendet werden kann. Das schafft eine Kreislaufwirtschaft, in der Abfallprodukte wiederverwendet werden können.

Dieser Prozess ermöglicht es uns auch, mehrere Materialien (Kupfer, Nickel usw.) zu verwenden, damit wir mit dem Drucken elektronischer Schaltungen oder Geräte wie Sensoren beginnen können. Ich denke, beim 3D-Druck besteht der nächste Schritt darin, etwas Intelligenz hinzuzufügen. Ich denke zum Beispiel, dass wir Leute sehen werden, die Teile mit Dingen wie Dehnungssensoren im Inneren drucken. Wenn Sie sich also nicht sicher sind, wie ein Teil geladen wird, sagt Ihnen der Sensor, wenn es kurz vor einem Ausfall steht und ersetzt werden muss. Ein anderes Beispiel wäre ein Ventil, das Wasser in Räumen wie einem Gewächshaus ablassen soll, wo es sich automatisch öffnet, wenn die Temperatur zu heiß wird. Mit anderen Worten, wir bauen die Funktionalität in die Materialien ein und die Komponenten werden intelligent!

Ich denke, wenn die Designtools fortgeschrittener werden, werden wir nicht nur 3D-Objekte entwerfen, sondern auch 4D-Objekte wie diese, die sich im Laufe der Zeit weiterentwickeln.

Wie sehen Sie die Entwicklung der Branche in den nächsten Jahren bei all dieser neuen Technologie in der Entwicklung?

Eines der Risiken beim 3D-Druck besteht darin, dass die Menschen alle Technologien in einen Topf werfen, obwohl es tatsächlich eine beträchtliche Vielfalt gibt. Wenn wir die neueren 3D-Drucktechnologien im Lichte des Gartner Hype Cycle betrachten, befinden wir uns immer noch auf dem „Gipfel der überzogenen Erwartungen“, wo alle von den Möglichkeiten begeistert sind, kurz bevor wir in den „Tal der Ernüchterung“ eintreten.

FDM und SLS durchliefen diesen Prozess, bei dem die Leute alles in 3D drucken wollten, nur um festzustellen, dass die Technologien mit dem Spritzguss nicht konkurrieren konnten. Aber irgendwann haben wir festgestellt, dass wir die Formwerkzeuge und Vorrichtungen drucken können, was sinnvoll ist, da die Herstellung viel Geld kostet. Wenn dies geschieht, erreichen wir das „Plateau der Produktivität“, wo die Technologie wirklich nützlich wird.

Ich denke, verschiedene 3D-Drucktechnologien befinden sich an verschiedenen Punkten dieser Kurve. Technologien wie FDM, SLS und DMLS nähern sich diesem „Plateau der Produktivität“ bereits an, aber andere, wie Bioprinting, werden meiner Meinung nach übermäßig gehypt. Ich denke jedoch, dass sie irgendwann Nischenanwendungen finden werden, in denen sie einen echten Mehrwert bieten und tatsächlich einen echten Unterschied machen können.

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