De productie ondergaat een stille transformatie die invloed heeft op de manier waarop we denken over objecten, reserveonderdelen en reparaties. Het idee om weken te wachten op een defect onderdeel hoort bij een productiemodel dat vandaag de dag al zijn kwetsbaarheid vertoont. In de laboratoria van het Massachusetts Institute of Technology krijgt een concreet alternatief vorm: het printen van een elektromotor die in slechts drie uur werkt, met materialen die in totaal zo’n 50 cent kosten.
Het onderzoek, gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Virtuele en fysieke prototypesvertelt een verhaal over autonomie, afvalvermindering en lokale productie. Thema’s die altijd al onderdeel zijn geweest van het debat over industriële duurzaamheid en die vandaag de dag een verrassend concrete technologische toepassing vinden.
Print een elektromotor in 3 uur
Iedereen die te maken heeft gehad met industriële machines weet dat een kapotte motor alles kan blokkeren, wat dagen van wachten, internationale verzendingen, hoge kosten en een impact op het milieu kan veroorzaken die zelden volledig wordt berekend. Het was precies vanuit deze cruciale kwestie dat het onderzoek begon, gecoördineerd door Luis Fernando Velásquez-García, die samen met zijn team een multi-materiaal 3D-printplatform ontwikkelde dat in staat is om in één proces complete elektrische machines te creëren.
De echte innovatie ligt in de mogelijkheid om meerdere functionele materialen tegelijkertijd te integreren. Om een elektromotor te bouwen heb je elementen nodig met heel verschillende eigenschappen: elektrisch geleidende materialen om de stroom te transporteren, stijve magnetische materialen om het magnetische veld op te wekken dat nodig is voor energieomzetting en isolerende componenten die de veiligheid en stabiliteit garanderen. Traditionele multi-materiaal 3D-printsystemen kunnen maximaal twee materialen van hetzelfde type verwerken, zoals filamenten of pellets; het MIT-team besloot verder te gaan.
Ze hebben een bestaande printer aangepast door vier verschillende extruders te integreren, elk ontworpen om een andere vorm van materiaal te verwerken. Sommige hoogwaardige geleidende componenten komen bijvoorbeeld in de vorm van inkten die onder druk moeten worden geëxtrudeerd, terwijl andere materialen verwarmde mondstukken nodig hebben om filamenten of pellets te smelten. Het coördineren van deze technologieën in één enkel platform heeft complexe technische uitdagingen met zich meegebracht, omdat elk materiaal specifieke temperatuur-, stollings- en stabiliteitsbehoeften heeft.
Het geleidende materiaal moest bijvoorbeeld uitharden zonder gebruik van overmatige hitte of UV-licht, om verslechtering van het omringende diëlektrische materiaal te voorkomen. Een delicaat evenwicht, bereikt dankzij strategisch geplaatste sensoren en een controlesysteem waarmee robotarmen elke extruder met extreme precisie kunnen aan- en loslaten. Elke laag wordt millimetrisch afgezet, omdat een kleine verkeerde uitlijning al voldoende is om de uiteindelijke prestaties van het apparaat in gevaar te brengen.
Het resultaat is een volledig 3D-geprinte lineaire elektromotor in ongeveer drie uur, waarbij vijf verschillende materialen worden gebruikt en slechts één nabewerkingsstap nodig is: de magnetisatie van stijve magnetische materialen om hem volledig operationeel te maken.
Een 50 cent-motor die traditionele systemen uitdaagt
De door het MIT-team gemaakte motor behoort tot de categorie van lineaire motoren, die worden gebruikt op gebieden als pick-and-place robotica, optische systemen en transportbanden op luchthavens. De grootste verrassing betreft de prestaties: het 3D-geprinte apparaat kon bewegingen genereren die vele malen groter waren dan een gewone lineaire motor die afhankelijk is van complexe hydraulische versterkers.
Dit alles met materiaalkosten van ongeveer 50 cent en met een veel gestroomlijnder productieproces vergeleken met conventionele methoden, die meerdere assemblages en meerdere daaropvolgende verwerkingsfasen vereisen.
Het potentieel is duidelijk. Als een fabriek vandaag een reserveonderdeel moet bestellen aan de andere kant van de wereld, met levertijden die wel weken kunnen duren, kan ze het onderdeel morgen eenvoudigweg ter plaatse printen, waardoor kosten, transport en afval worden verminderd. Productie ter plaatse zou een strategische hefboom worden, niet alleen voor industriële efficiëntie, maar ook voor ecologische duurzaamheid.
Op de lange termijn zou dit platform kunnen worden gebruikt om snel op maat gemaakte componenten voor robots, elektrische voertuigen of medische apparatuur te vervaardigen, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor een flexibelere productie die minder afhankelijk is van de dynamiek van de mondiale toeleveringsketen.
Onderzoekers werken er al aan om de magnetisatiestap rechtstreeks in het printproces te integreren, volledig 3D-geprinte roterende elektromotoren te demonstreren en het aantal tools dat compatibel is met het platform verder uit te breiden om de monolithische fabricage van steeds complexere elektronische apparaten mogelijk te maken.
Het printen van een elektromotor in drie uur betekent niet alleen snelheid, het betekent ook het verminderen van de afhankelijkheid, het terugdringen van verspilling en het bedenken van een productiesysteem dat dichter bij de territoria staat en minder kwetsbaar is in het licht van mondiale crises. Misschien begint de echte revolutie van industrieel 3D-printen hier, in dat ogenschijnlijk simpele gebaar van ‘produceren waar nodig’, waarbij een noodsituatie wordt omgezet in een kans en een mislukking in autonomie.
Mogelijk bent u ook geïnteresseerd in:
