Un team di studenti universitari della Virginia Tech sta sviluppando un progetto nato nei film di fantascienza: un sistema di stampa 3D in grado di creare autonomamente droni che potrebbero volare via non appena la loro fabbricazione è completata. Il lavoro del team sta per diventare non-fiction, poiché è stato scelto dalla NASA per ricevere uno dei quattro premi 2021 a livello nazionale che promuovono nuove tecnologie aeronautiche.
Il team della Virginia Tech ha vinto un premio iniziale di $ 75.000 dall’University Student Research Challenge della NASA , una competizione che incoraggia gli studenti dell’istruzione superiore a proporre nuove idee e concetti rilevanti per il lavoro della NASA. I team di studenti di college o università accreditati negli Stati Uniti ricevono sovvenzioni per i loro progetti, ma per raggiungere gli obiettivi imprenditoriali del premio, gli studenti sono anche tenuti a raccogliere una modesta quantità di fondi di condivisione dei costi attraverso piattaforme di crowdfunding .
SOGNI alla realtà
Gli studenti della Virginia Tech sono stati riuniti per questo sforzo nel laboratorio di progettazione, ricerca e formazione per sistemi di produzione additiva (DREAMS) , guidato da Chris Williams , il professore di LS Randolph presso il Dipartimento di ingegneria meccanica . Molti dei metodi che hanno preso vita in questo progetto sono il risultato del tutoraggio e della visione espressi da Williams, infusi con l’energia e la creatività dei ricercatori universitari.
Williams è stato un pioniere nella stampa 3D alla Virginia Tech, arrivando all’università nel 2008. La sua assunzione ha coinciso con l’ era in cui la stampa 3D è diventata una tecnologia ben nota e comprensibile, e Williams è stato uno dei primi ad adottarlo a Blacksburg. La tecnologia è sempre stata al centro della sua ricerca ed è stata l’argomento del suo dottorato di ricerca. tesi di laurea più di un decennio fa. Il suo laboratorio ha registrato una crescita costante di metodi, materiali e macchine con il progredire della tecnologia.
Lo spazio cavernoso che supervisiona include macchine che stampano metallo, plastica e altro. La maggior parte di queste macchine viene acquistata commercialmente, ma il team di DREAMS Lab non si è accontentato di lasciare che gli sviluppi commerciali guidassero le loro capacità.
Diversi anni fa, Williams ha affidato al suo team il compito di creare una macchina che stampa più materiali in una scatola. Il risultato è stata la loro ” macchina DREAMS ” , un’unica stazione di stampa 3D con più strumenti di stampa diversi in grado di creare stampe complesse senza passare da più stazioni. Questa prima creazione rappresentava una direzione, non un punto di arrivo. Sebbene quella macchina fosse una novità per i suoi tempi, i membri del laboratorio hanno continuato a guidare il ritmo dell’innovazione nei metodi, ospitando persino concorsi che incoraggiano progetti complessi che utilizzano la tecnologia.
“Una grande missione del nostro laboratorio è pensare alla prossima generazione di tecnologia di produzione additiva”, ha affermato Williams. “Cerchiamo sempre di spingere la funzionalità della stampa. Negli ultimi anni abbiamo lavorato alla tecnologia che ci avrebbe consentito di stampare insieme materiali strutturali, materiali funzionali e materiali conduttivi. L’obiettivo finale è stato quello di stampare parti multifunzionali con componenti mobili e intelligenza integrata”.
Fin dalla sua infanzia, l’idea generale della stampa 3D è quella di applicare i materiali a strati. Un oggetto solido verrebbe costruito impilando linee di materiali una sopra l’altra, costruendo lentamente un oggetto dal basso verso l’alto.
Williams ha sfidato i suoi studenti a pensare in termini di stampa in modo diverso. Invece di stampare lungo piani piani, ha incoraggiato lo sviluppo verso la stampa lungo linee curve integrando strumenti di stampa 3D su un braccio robotico. Questa è chiamata stampa multiasse, dove un asse indica una direzione in cui le testine di stampa possono muoversi. Affinché la stampa sia “vero 3D”, questa è la logica frontiera successiva. Consentendo al braccio robotico di raccogliere diversi strumenti (uno strumento di stampa 3D, uno strumento di taglio e uno strumento in grado di posizionare componenti elettronici), il team può creare una cella di lavoro in grado di fabbricare autonomamente sistemi complessi.
Su questa base visionaria, un team di innovatori universitari è salito sul palco con un progetto che hanno presentato alla NASA. La NASA ha risposto con il supporto.
Il discorso degli studenti
Due degli studenti più direttamente coinvolti con quella stampante robotica sono Tadek Kosmal e Kieran Beaumont, entrambi laureati in robotica e meccatronica. Kosmal, originario di Falls Church, Virginia, ha iniziato a lavorare con la stampante per braccio robotico durante il suo primo anno nel campus, e Beaumont, di Reston, Virginia, si è unito poco dopo, prendendo appunti da Williams e dal ricercatore post-dottorato Joseph Kubalak per apprendere la capacità e metodologia della macchina.
La sfida della NASA ha creato un’opportunità per quei progetti di espandersi rapidamente. Williams e Kubalak hanno appreso della competizione e hanno presentato l’idea ai ricercatori universitari nel dicembre 2020. Kosmal, Beaumont e altri hanno trascorso la pausa invernale immaginando un progetto che potesse essere adatto sia per il laboratorio che per la NASA. Sono tornati a febbraio con un mucchio di possibilità e si sono uniti per scrivere una proposta interamente guidata dagli studenti.
Dopo aver confrontato le idee e aver immaginato cosa avrebbe potuto funzionare meglio, gli studenti hanno deciso di passare alla visione multiprocesso e multiasse di Williams. La loro cellula farebbe le cose che avevano immaginato insieme: stampare in 3D un drone partendo da un guscio stampato da più direzioni, inserire chassis ed elettronica, stampare su di essi e tagliare via il materiale in eccesso. L’oggetto che hanno scelto sarebbe un drone volante perfettamente funzionante in linea con gli obiettivi della NASA.
“Non stiamo solo cercando di stampare in 3D un drone, ma stiamo realizzando un prodotto completamente creato in una singola busta”, ha affermato Kosmal. “Stiamo creando il telaio, stiamo inserendo l’elettronica, lo stiamo racchiudendo e poi lo stiamo rilasciando nel mondo.”
Il futuro della distribuzione
Realizzare un drone completamente funzionante che voli via dalla propria stampante e registri la creazione del prossimo drone da creare sarebbe un passo avanti radicale per il mondo della stampa 3D. In passato, il DREAMS Lab ha creato tali progetti con una discreta quantità di lavoro manuale coinvolto. In genere, tale processo richiederebbe l’intervento umano per passare da una macchina all’altra o per completare l’assemblaggio a mano dopo che la stampa è stata completata. In questo progetto, le macchine sarebbero collegate e l’assemblaggio sarebbe integrato nei loro processi.
Per la NASA, questo potrebbe significare la possibilità di schierare droni orientati al compito in luoghi remoti come Marte. Williams vede un possibile futuro in cui una cellula di lavoro potrebbe atterrare sul pianeta rosso per creare droni da ricognizione mesi prima di un equipaggio di atterraggio umano. Se le dure condizioni di un pianeta remoto danneggiano un drone, la stampante ne crea e ne utilizza facilmente un altro.
Se stessimo ancora scrivendo una storia di fantascienza, questo sarebbe il finale drammatico. Il minuscolo robot avrebbe lasciato la stampante, avrebbe svolto il suo compito e tutti avrebbero applaudito. Sulla Terra, Williams, Kubalak e questa squadra stellare di studenti si davano pacche sulle spalle. Quell’evento immaginario fa parte della visione che questa squadra ha costruito insieme, ed è più vicina ora di quanto non fosse prima.
“Siamo entusiasti che questi studenti ricevano uno dei pochi premi nazionali”, ha affermato Williams. “Molti sono stati assistenti di ricerca universitari sin da quando erano studenti del primo anno e stanno finalmente applicando la ricerca che hanno fatto a un problema di progettazione completamente nuovo e molto complesso.”
Oltre a Kosmal e Beaumont, il team di RAV-Fab comprende: Eric Link, ricercatore universitario di DREAMS Lab e coautore della proposta USRC; Jimmy Lowe, il responsabile aziendale del team e coautore della proposta USRC; Conner Pulling, ricercatore universitario presso il Virginia Tech FASER Lab; Dalton Phillips, un anziano in ingegneria meccanica; Heather Wotton, attuale studentessa universitaria e stagista di ritorno alla Northrop Grumman; Camille Kudrna, che lavorerà per il Savannah River National Laboratory e sta completando uno studio indipendente presso il VT Unmanned Systems Lab; e Hutch Peter, un ricercatore universitario nel DREAMS Lab.
