Expertengespräch: Dr. Billy Wu vom Imperial College London

In unserem heutigen Blog setzen wir uns mit Dr. Billy Wu vom Imperial College zusammen, um die Anwendungen von 3D-Druck in Forschung und Lehre zu diskutieren. Wie Imperials Studenten ihre 3D-gedruckten Prototypen in Geschäftsmöglichkeiten verwandeln und die revolutionäre neue Metalldruckmethode seines Teams.

 

Gab es einen bestimmten Moment, in dem Sie entschieden haben, dass 3D-Druck etwas ist, das Sie verfolgen wollten?

Dr. Billy Wu, 3D-Druckexperte am Imperial College London
Dr. Billy Wu, 3D-Druckexperte am Imperial College London

Ich bin hier im Imperial, Dozent an der Dyson School of Design Engineering. Ich bin seit 12 Jahren hier, seit meinem Bachelor und bin jetzt in der Konstruktionstechnik tätig, aber ich begann im Maschinenbau, und so lernte ich sehr viel, wie die Nutzung der Fräse, der Drehmaschine und ähnlichen Technologien. Wir haben Freude an guten technischen Zeichnungen, Toleranzen usw.

Als ich meine Doktorarbeit machte, war das alles es ziemlich experimentell, also musste ich viele Komponenten für Rigs und so weiter selber machen. Während ich sie aus Metall herstellen musste, wäre es viel einfacher gewesen, sie in 3D zu drucken. Es war um diese Zeit, dass der Preis von 3D-Druckern gefallen war und da ich nicht immer Dinge aus Metall haben musste, war es also für mich viel einfacher eine Technologie zu nutzen, die in Bezug auf die Geschwindigkeit der Produktion schnellere Resultate herbei führte. Das ist etwas, das mir geblieben ist, und jetzt, wo wir hier bei Imperial einen Designkurs anbieten, liegt der Schwerpunkt der Fertigung auf „so schnell wie möglich“.

Das Ethos von “scheitert schnell” ist ein gutes. Man kann mehrere Wochen damit verbringen, ein Bauteil herzustellen, und findet trotzdem nicht, was man möchte. Daher ist es für Forschung und Lehre äußerst attraktiv, extrem schnell produzieren zu können.

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 mehr ungewöhnlichen Druckern, wie Composite-3D-Drucker, die in Kohlefaser drucken können. Wir betreiben auch eine Metalladditiv-Produktionsstätte für hochrangige Forschung, wie beispielsweise die Herstellung von Komponenten für medizinische orthopädische Implantate, Luft- und Raumfahrtkomponenten und so weiter.



Wie sind Sie von der Nutzung des 3D-Drucks allein für Ihre eigene Forschung zur Verwendung mit Studenten in der gesamten Universität transiert?


Eines der Dinge, die ich hier im Imperial leite, ist der Imperial College Advanced Hackspace. Eines der anfänglichen Probleme beim 3D-Drucken für die Studenten war die Eintrittsbarriere. Wenn ein Student eine Idee hatte und einen Prototyp erstellen wollte, war es sehr schwierig, in den Workshop zu kommen, wenn dieses nicht geplant oder ein Teil des Lehrplans war. Wir wollten diese Barrieren abbauen, also starteten wir unseren Hackspace, der jedem Studenten von Imperial den Zugang zu unseren Fertigungsmöglichkeiten ermöglichte –  und das völlig kostenlos. Seitdem hat sich das wirklich etabliert. Das College hat sich eingebracht und seit es unsere Fähigkeiten erkannt hat erlaubt uns unsere Fähigkeiten zu erweitern.

Wir bieten auch einen gemeinsamen Master Kurs mit dem Royal College of Art namens Innovation Design Engineering (IDE) an. In diesem Kurs beginnen etwa 60% der Studenten, eigene Spin-off-Unternehmen zu gründen. Sie haben eine coole Idee, sie erstellen einen Prototyp und stellen diesen dann an Orten wie der Venture Capitalist Challenge, die wie Dragons Den ein Wettbewerb ist, oder in einem Kickstarter-Projekt vor.

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



Wie ist der Lernprozess, wenn Schüler das zum ersten Mal ausprobieren, insbesondere wenn es darum geht, ihre Dateien druckbar zu machen?


Es kommt darauf an, mit wem sie sprechen. Einige Studenten haben sehr viel Erfahrung mit CAD, konstruieren aber immer noch Komponenten mit traditioneller Fertigung. Was mich frustriert, ist, wenn Studenten zu mir kommen und dann beispielsweise nur einen Würfel drucken wollen. Sie haben dann noch nicht ganz verstanden, dass sie viele andere Dinge mit der Technologie anfangen können. Solange wie dies nur als Ersatz für die traditionelle Fertigung gesehen wird, bedeutet das, dass wir die Technologie nicht optimal nutzen.

Wenn Sie einen echten Durchbruch in der additiven Fertigung wünschen, müssen Sie auch dementsprechend für die additive Fertigung entwerfen. Sie könnten Optimierungsalgorithmen verwenden, bei denen Sie sagen könnten: “Ich brauche eine Komponente, um diese beiden Dinge an diesen zwei Punkten zusammenzuhalten. Erstelle mir diese Struktur, die die Belastung unterstützt und so leicht wie möglich ist “. Wir machen viel computergestütztes Design.

Wir sagen oft 3D-Druck beschleunigt den Herstellungsprozess. Während es die tatsächliche Herstellung beschleunigt, kann die Vorbereitung tatsächlich ziemlich lange dauern, also wenn Sie einen Computer bekommen können, der das für Sie erledigt, ist das viel billiger und effektiver.



Nennen sie uns doch einige Erfolgsgeschichten die Sie seit dem Start von 3D Printing bei Imperial gesehen haben.

Ein sehr cooles Projekt war die Entwicklung eines neuen 3D-Druckprozesses. Das Konzept war, dass wenn sie sich an einen entfernten Ort befinden (zum Beispiel auf dem Mond!) und etwas herstellen wollen – dann wollen sie die lokalen Ressourcen nutzen.

Einer unserer IDE-Studenten, Markus Kayser, entwarf zu diesem Zweck einen sogenannten Sonnensinter, 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, damit konnte er dann den Sand schmelzen.

Indem er diesen Punkt umstellte, konnte er den Sand nutzen, um 3D-Glas zu drucken, was es ihm erlaubte, Dinge wie Schüsseln und Kunstwerke  u. a. herzustellen. Man kann sogar Gebäude daraus machen!

 


Die Menschen sprechen oft über die Kreislaufwirtschaft, wo 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 Gebäude, das Sie benötigen, in 3D drucken, ist es sinnvoller, die Materialien an einen entfernten Standort zu versenden. Es geht auch darum, die verfügbaren Materialien wiederzuverwenden. Ich betreibe hier eine Forschungsgruppe, in der wir versuchen, neue Arten des 3D-Drucks zu entwickeln, und dies als eines der langfristigen Ziele. Wir arbeiten viel mit direktem Metall-Laser-Sintern, mit einem Renishaw AM250, aber wir wollen, dass der Metalldruck mehr Verbraucherfreundlicher ist, also wird eine andere Art von Technologie benötigt.

Wir haben gerade eine Arbeit über einen neuen Typ von Metall-3D-Drucker veröffentlicht, der einer FDM-Maschine ähnlich ist, so dass es eine Desktop-Einheit sein kann. Das Verfahren ist ähnlich dem des Elektroplattieren, bei dem Spannung in einer Plattierungslösung angelegt wird, wobei das Metall in dem Bad auf ein Objekt bewegt wird. Diesen Prozess gibt es seit Jahrzehnten, daher wissen wir, wie man Metalle sehr einfach bei Raumtemperatur absetzt. Was wir getan haben, war eine Spritze zu nehmen, Sie mit einer galvanischen Lösung ( in diesem Fall Kupfersulfat) zu füllen und nutzte es als 3D-Drucker, um das Metall in die gewünschte Struktur zu manipulieren. Der Vorteil besteht darin, dass es additiv ist – weil man metallische Strukturen durch Ein- und Ausschalten des Potentials drucken kann -, aber es ist auch subtraktiv, man das Metall von der positiven in die negative Richtung zurück in die Lösung korrodieren und somit das Teil neu formen.

Ich benutze immer das Beispiel, dass, sollten Sie jemals im Weltraum sein und möchten einen 3D Schraubenschlüssel drucken, aber Sie möchten auch in der Lage sein, dieses Material wiederzuverwenden. Bei unserer Methode kehrt das Material durch die Umkehrung des Potenzials einfach in die Lösung zurück, sodass es wiederverwendet werden kann. Das schafft eine Kreislaufwirtschaft, in der Abfallprodukte wiederverwendet werden können.

Dieser Prozess ermöglicht uns auch die Verwendung mehrerer Materialien (Kupfer, Nickel usw.), so dass wir elektronische Schaltungen oder Geräte wie Sensoren drucken können. Ich denke, im 3D-Druck ist der nächste Schritt, etwas Intelligenz hinzuzufügen. Zum Beispiel  so denke ich, dass Leute Teile mit Dehnungssensoren im Inneren drucken werden.

Wenn Sie nicht sicher sind, wie ein Teil geladen wird, wird der Sensor Ihnen sagen, wann es kurz vor dem Ausfall steht und ersetzt werden muss. Ein anderes Beispiel wäre ein Ventil, das dazu dient, Wasser in einem Gewächshaus abzugeben, wobei es sich automatisch öffnet, wenn die Temperatur zu hoch wird. Mit anderen Worten, wir bauen die Funktionalität in die Materialien ein und die Komponenten werden intelligent!

Ich denke, wenn die Design-Tools weiter entwickelt werden, werden wir beginnen, nicht nur 3D-Objekte zu entwerfen, sondern im Laufe der Zeit auch 4D-Objekte entwickeln.

 
Wie sehen Sie mit all dieser neuen Technologie in der Entwicklung in der Industrie in den nächsten Jahren?

Der Gartner Hype Cycle (Bild mit freundlicher Genehmigung des Imperial College)
Der Gartner Hype Cycle (Bild mit freundlicher Genehmigung des Imperial College)

Eines der Risiken beim 3D-Druck besteht darin, dass die Menschen alle Technologien zusammenfassen, obwohl es tatsächlich eine beträchtliche Vielfalt gibt. Wenn wir die neueren 3D-Drucktechnologien vor dem Hintergrund des Gartner Hype Cycle betrachten, befinden wir uns immer noch auf dem “Gipfel der überhöhten Erwartungen”, in dem sich alle über die Möglichkeiten freuen, bevor wir in den “Tiefpunkt der Desillusionierung” eintreten.

FDM und SLS durchliefen diesen Prozess, wo die Leute alles in 3D drucken wollten, nur um zu erkennen, dass die Technologien nicht mit dem Spritzgießen konkurrieren konnten. Aber irgendwann stellten wir fest, dass wir die Formwerkzeuge und Spannvorrichtungen drucken konnten, was sinnvoll ist, da diese in der Herstellung viel Geld kosten. Wenn dies geschieht, erreichen wir das “Plateau der Produktivität”, wo die Technologie wirklich nützlich wird.

Ich denke, dass verschiedene 3D-Drucktechnologien an verschiedenen Punkten dieser Scala liegen. Technologien wie FDM, SLS und DMLS nähern sich bereits diesem “Plateau der Produktivität”, aber ich fühle, dass andere, wie das Bioprinting, übermäßig gehyped sind. Ich denke jedoch, dass sie irgendwann Nischenanwendungen finden werden.