3D-print i stort format åbner op for nye frekvenser til støbning af klokker

Australian Bell bruger FEA-software og 3D-print til at bringe klokkeproduktionen ind i det 21. århundrede.

Klokkernes musikalske klokkespil og rungende gong har inspireret og fortryllet mennesker i årtusinder, hvad enten de har ledsaget religiøse og spirituelle ceremonier, været brugt til kommunikation eller spillet til musikalske formål. Processen med at fremstille klokker - kendt som bellfounding - er næsten lige så fængslende som de lyde, der udsendes fra slagtøjsinstrumenterne selv.

Klokkestøbning går tusindvis af år tilbage, helt tilbage til 2.000 f.Kr., og er et specifikt og finpudset håndværk, som har udviklet sig trinvist gennem århundrederne. Interessant nok ligner nutidens proces til fremstilling af klokker i høj grad den støbeproces, der er blevet brugt i de sidste ca. tusind år. Som vi vil se nærmere på, er der dog sket en vigtig udvikling inden for klokkedesign og klokkestøbning i de senere år, som er blevet muliggjort gennem en kombination af Finite Element Analysis (FEA)-software, BigRep 3D-printere i stort format og klokkestøbningsekspertisen hos Dr. Anton Hasell fra Australsk klokke.

Sådan får en klokke sin klang

Før vi dykker ned i, hvordan 3D-print skaber nye muligheder for klokkeproduktion, er det først vigtigt at forstå grundlaget for klokkestøbning. Som nævnt har klokkefremstillingsprocessen været relativt ensartet i over tusind år, og den omfatter formfremstilling, støbning og efterbehandling. Traditionelt blev klokkeforme håndlavet ved hjælp af strickler (klokkeformede skovle, der drejes rundt om en central akse for at lave den indre eller ydre profil af klokken i formens ildfaste materialer) eller med falske klokkemønstre lavet i voks eller træ). Disse formede ildfaste materialer fyldes med smeltet metal i støbeprocessen.

Når formen var lavet, var det næste skridt at smelte det metal, der blev brugt til klokker, til en temperatur på omkring 1100 grader celsius. Det mest almindelige metal til klokkefremstilling er en type bronzelegering - passende kaldet klokkemetal - der er kendt for sine rungende egenskaber. Det smeltede metal blev derefter forsigtigt hældt i formen og derefter ladet afkøle. Når metallet var størknet, kunne formen fjernes, og klokkestøberen kunne finjustere klokken ved at barbere de indre lag af metal af, indtil den rette lyd var opnået. Det sidste trin var at installere klappen, som skaber lyd ved at ramme enten indersiden eller ydersiden af klokken.

En ny tilgang fra Australian Bell

I dag bruger man stadig støbning til at fremstille klokker, men der er forskellige tilgange til design af klokker og produktion af støbeforme. Australian Bell, et klokkefirma grundlagt af Dr. Hasell i 1998, har været på forkant med at bruge nye teknologier og teknikker til at udvide mulighederne for klokkefremstilling, opnå nye lyde og tonehøjder samt modernisere produktionsprocessen.

En af de nøgleteknologier, som Australian Bell og andre moderne klokkestøbere bruger, er Finite Element Analysis-software, som simulerer, hvordan et design vil reagere på eksterne kræfter som f.eks. vibrationer. Denne software har gjort det muligt at optimere klokkedesign, hvilket har resulteret i nye frekvenser og lydprofiler. For eksempel brugte Australian Bell i 2001 ReShape FEA-software til at designe verdens første harmoniske klokke, der kunne give den klareste tonehøjde, i anledning af Australiens 100 års føderation. Dette er sammenlignet med traditionelle europæiske klokker, som typisk har delvise frekvenser med polytonale lyde, hvilket påvirker deres klarhed. [federationbells.com.au]

3D-print indleder en ny æra inden for fremstilling af klokker

I 2014 fik virksomheden til opgave at skabe en ny type klokke til Long Now Foundations 10.000 års ur (bygget i et bjerg i det vestlige Texas). Klokken, der blev bestilt af Danny Hillis, opfinder og medstifter af Long Now Clock, var en differenstoneklokke, hvilket betyder, at den kunne generere en psykoakustisk tonehøjde en oktav under klokkens faktiske laveste frekvens. Dette klokkedesign gør det muligt for en klokke at være halvt så stor som en traditionel klokke med samme tonehøjde, så den passer ind i urets konstruktion.

Dr. Hasell udnyttede igen ReShape FEA-softwaren til at designe denne udfordrende klokke. Da designet var en succes, fik han til opgave at fremstille og stemme et sæt på 10 klokker (sjovt nok blev den musikalske skala for klokkerne bestemt af den britiske musiker og komponist Brian Eno!longnow.org]

For at bevare den meget præcise form på klokkedesignet vendte Dr. Hasell sig mod en ny metode til formfremstilling: 3D-printning. En 3D-printer i stort format fra det tyske firma BigRep blev brugt til at producere støberimønstret til klokkerne. De 3D-printede mønstre - i virkeligheden 3D-printede versioner af klokkerne - blev brugt til at skabe præcise forme til sandstøbningsprocessen. Når mønsteret var printet, skulle det efterbehandles for at fjerne støttematerialer. Derefter blev det pakket med resin sand for at danne en form. Mønsteret blev derefter fjernet fra det pakkede sand, og sandformen blev støbt med en moderne bronzelegering, siliciumbronzemetal, færdiggjort og poleret og sendt fra Australien til USA.

Ved at bruge 3D-print til den direkte produktion af klokkens mønster kunne Australian Bell strømline produktionsprocessen for klokken betydeligt. Historisk set blev mønsterfremstillingsprocessen for klokker udført manuelt, hvilket krævede en høj grad af dygtighed og håndværk - for ikke at nævne, hvor tidskrævende det var. 3D-printning fjerner helt dette arbejdskrævende trin og laver mønsteret baseret på et digitalt design.

For nylig producerede Australian Bell endnu en klokke ved hjælp af den samme teknik. Denne gang var det Melbourne-baserede 3D-printkonsulentfirma Freedspace med Australian Bell om at 3D-printe et mønster til en 300 kg tung klokke i europæisk stil. BigRep ONE 3D-printeren med et byggevolumen på en kubikmeter var afgørende for produktionen af en klokke af denne størrelse.

Fordelene ved 3D-print i stor skala til støbning

I sidste ende puster kombinationen af FEA-software, 3D-print og mere traditionel støbning nyt liv i klokkedesign og -produktion. På den ene side gør FEA-software det muligt at designe stadig mere komplekse klokkegeometrier for at opnå tidligere umulige lydfrekvenser. 3D-print i stor skala gør det på sin side muligt at bringe disse designs til live gennem produktion af mønstre i naturlig størrelse. Endelig sikrer støbning de samme kvalitetsstandarder, som klokkestøberne har udviklet gennem generationer.

Hos Australian Bell er disse banebrydende teknologier et middel til at nå et mål. Det vil sige, at virksomheden sigter mod at introducere nye klokkelyde til moderne bydesign for at ændre den fælles brug af klokker i moderne samfund. Et perfekt eksempel på virksomhedens igangværende mission er Federation Bell Carillon i Melbourne, en offentlig installation, der består af 39 klokker. Folk fra hele verden kan sende deres kompositioner til byen Melbourne via en særlig app, og så spiller klokkerne de musikalske melodier.

I en bredere sammenhæng er Australian Bells use case et eksempel på, hvordan 3D-print i stor skala kan supplere og forbedre traditionelle fremstillingsprocesser som støbning. 3D-printere i stort format er særligt velegnede til produktion af sandstøbnings- og støbemønstre. Støberier bruger i stigende grad 3D-print til at producere mønstre, fordi det reducerer produktionstiden (ved direkte at 3D-printe mønsteret baseret på en 3D-model) og reducerer omkostningerne. Som Australian Bell demonstrerede, gør 3D-printede mønstre det desuden muligt at lave mere komplekse designs ved hjælp af støbeprocessen.

1 M³ BYGGEVOLUMEN. STORE MULIGHEDER. LILLE PRIS.

BigRep ONE er en prisbillig indgang til 3D-print i stort format. Med dokumenteret pålidelighed til at arbejde døgnet rundt bringer ONE dine designs til live i fuld skala.

Få mere at vide