Οι ερευνητές επιδεικνύουν γρήγορη τρισδιάστατη εκτύπωση με υγρό μέταλλο (με βίντεο)

Οι ερευνητές επιδεικνύουν γρήγορη τρισδιάστατη εκτύπωση με υγρό μέταλλο (με βίντεο)

Χρονική σήμανση: 26 Ιανουαρίου 2024 4:08 μ.μ.
Κόμβος πηγής: 3085676
26 Ιανουαρίου 2024 (Ειδήσεις Nanowerk) Οι ερευνητές του MIT ανέπτυξαν μια τεχνική πρόσθετης κατασκευής που μπορεί να εκτυπώσει γρήγορα με υγρό μέταλλο, παράγοντας μεγάλης κλίμακας εξαρτήματα όπως πόδια τραπεζιού και πλαίσια καρέκλας μέσα σε λίγα λεπτά. Η τεχνική τους, που ονομάζεται εκτύπωση υγρού μετάλλου (LMP), περιλαμβάνει την εναπόθεση λιωμένου αλουμινίου κατά μήκος μιας προκαθορισμένης διαδρομής σε ένα κρεβάτι από μικροσκοπικές γυάλινες χάντρες. Το αλουμίνιο σκληραίνει γρήγορα σε τρισδιάστατη δομή.

[Ενσωματωμένο περιεχόμενο]

Οι ερευνητές λένε ότι το LMP είναι τουλάχιστον 10 φορές ταχύτερο από μια παρόμοια διαδικασία κατασκευής πρόσθετων μετάλλων και η διαδικασία θέρμανσης και τήξης του μετάλλου είναι πιο αποτελεσματική από ορισμένες άλλες μεθόδους. Η τεχνική θυσιάζει την ανάλυση για την ταχύτητα και την κλίμακα. Ενώ μπορεί να εκτυπώσει εξαρτήματα που είναι μεγαλύτερα από αυτά που συνήθως κατασκευάζονται με πιο αργές τεχνικές πρόσθετων και με χαμηλότερο κόστος, δεν μπορεί να επιτύχει υψηλές αναλύσεις. Για παράδειγμα, τα εξαρτήματα που παράγονται με LMP θα ήταν κατάλληλα για ορισμένες εφαρμογές στην αρχιτεκτονική, την κατασκευή και τον βιομηχανικό σχεδιασμό, όπου τα εξαρτήματα μεγαλύτερων κατασκευών συχνά δεν απαιτούν εξαιρετικά λεπτές λεπτομέρειες. Θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά για γρήγορη δημιουργία πρωτοτύπων με ανακυκλωμένο ή παλιοσίδερο. Σε μια πρόσφατη μελέτη, οι ερευνητές απέδειξαν τη διαδικασία εκτυπώνοντας κουφώματα αλουμινίου και εξαρτήματα για τραπέζια και καρέκλες που ήταν αρκετά ανθεκτικά για να αντέχουν στη μετατυπωτική κατεργασία. Έδειξαν πώς τα εξαρτήματα που κατασκευάζονται με LMP θα μπορούσαν να συνδυαστούν με διαδικασίες υψηλής ανάλυσης και πρόσθετα υλικά για τη δημιουργία λειτουργικών επίπλων. «Αυτή είναι μια εντελώς διαφορετική κατεύθυνση στο πώς σκεφτόμαστε την κατασκευή μετάλλων που έχει τεράστια πλεονεκτήματα. Έχει και μειονεκτήματα. Αλλά το μεγαλύτερο μέρος του δομημένου κόσμου μας - τα πράγματα γύρω μας όπως τραπέζια, καρέκλες και κτίρια - δεν χρειάζεται εξαιρετικά υψηλή ανάλυση. Η ταχύτητα και η κλίμακα, καθώς και η επαναληψιμότητα και η κατανάλωση ενέργειας, είναι όλα σημαντικά στοιχεία μέτρησης», λέει ο Skylar Tibbits, αναπληρωτής καθηγητής στο Τμήμα Αρχιτεκτονικής και συνδιευθυντής του Self-Assembly Lab, ο οποίος είναι ανώτερος συγγραφέας μιας εργασίας που παρουσιάζει το LMP (“Εκτύπωση υγρών μετάλλων”; PDF). Το Tibbits ενώνεται στην εργασία από τον κύριο συγγραφέα Zain Karsan SM '23, ο οποίος είναι τώρα διδακτορικός φοιτητής στο ETH Zurich. καθώς και ο Kimball Kaiser SM '22 και ο Jared Laucks, ερευνητής και συνδιευθυντής εργαστηρίου. Η έρευνα παρουσιάστηκε στο Συνέδριο Association for Computer Aided Design in Architecture και πρόσφατα δημοσιεύτηκε στα πρακτικά της ένωσης. Η διαδικασία εκτύπωσης υγρού μετάλλου περιλαμβάνει την εναπόθεση λιωμένου αλουμινίου κατά μήκος μιας προκαθορισμένης διαδρομής σε ένα κρεβάτι από μικροσκοπικές, γυάλινες χάντρες Η διαδικασία εκτύπωσης υγρού μετάλλου περιλαμβάνει την εναπόθεση τετηγμένου αλουμινίου κατά μήκος μιας προκαθορισμένης διαδρομής σε ένα κρεβάτι από μικροσκοπικές, γυάλινες χάντρες, όπως φαίνεται εδώ. (Εικόνα: MIT Self-Assembly Lab)

Σημαντική επιτάχυνση

Μια μέθοδος για την εκτύπωση με μέταλλα που είναι κοινή στην κατασκευή και την αρχιτεκτονική, που ονομάζεται κατασκευή πρόσθετου τόξου σύρματος (WAAM), είναι ικανή να παράγει μεγάλες δομές χαμηλής ανάλυσης, αλλά αυτές μπορεί να είναι επιρρεπείς σε ρωγμές και στρέβλωση, επειδή ορισμένες μερίδες πρέπει να ξανατήκονται κατά τη διάρκεια τη διαδικασία εκτύπωσης. Το LMP, από την άλλη πλευρά, διατηρεί το υλικό λιωμένο σε όλη τη διάρκεια της διαδικασίας, αποφεύγοντας ορισμένα από τα δομικά προβλήματα που προκαλούνται από την εκ νέου τήξη. Βασιζόμενοι στην προηγούμενη εργασία της ομάδας για την ταχεία υγρή εκτύπωση με καουτσούκ, οι ερευνητές κατασκεύασαν μια μηχανή που λιώνει το αλουμίνιο, συγκρατεί το λιωμένο μέταλλο και το αποθέτει μέσω ενός ακροφυσίου σε υψηλές ταχύτητες. Τα μεγάλης κλίμακας εξαρτήματα μπορούν να εκτυπωθούν σε λίγα δευτερόλεπτα και στη συνέχεια το λιωμένο αλουμίνιο κρυώνει σε αρκετά λεπτά. «Ο ρυθμός της διαδικασίας μας είναι πραγματικά υψηλός, αλλά είναι επίσης πολύ δύσκολο να ελεγχθεί. Είναι λίγο πολύ σαν να ανοίγεις μια βρύση. Έχετε μεγάλο όγκο υλικού για να λιώσετε, το οποίο χρειάζεται λίγο χρόνο, αλλά μόλις το λιώσετε, είναι σαν να ανοίγετε μια βρύση. Αυτό μας δίνει τη δυνατότητα να εκτυπώσουμε αυτές τις γεωμετρίες πολύ γρήγορα», εξηγεί ο Karsan. Η ομάδα επέλεξε το αλουμίνιο επειδή χρησιμοποιείται συνήθως στις κατασκευές και μπορεί να ανακυκλωθεί φθηνά και αποτελεσματικά. Κομμάτια αλουμινίου σε μέγεθος καρβέλι ψωμιού εναποτίθενται σε έναν ηλεκτρικό φούρνο, «ο οποίος είναι βασικά σαν μια τοστιέρα σε κλίμακα», προσθέτει ο Karsan. Μεταλλικά πηνία μέσα στον κλίβανο θερμαίνουν το μέταλλο στους 700 βαθμούς Κελσίου, λίγο πάνω από το σημείο τήξης του αλουμινίου στους 660 βαθμούς. Το αλουμίνιο διατηρείται σε υψηλή θερμοκρασία σε ένα χωνευτήριο γραφίτη και στη συνέχεια το λιωμένο υλικό τροφοδοτείται με τη βαρύτητα μέσω ενός κεραμικού ακροφυσίου σε μια κλίνη εκτύπωσης κατά μήκος μιας προκαθορισμένης διαδρομής. Διαπίστωσαν ότι όσο μεγαλύτερη ήταν η ποσότητα αλουμινίου που μπορούσαν να λιώσουν, τόσο πιο γρήγορα μπορεί να λειτουργήσει ο εκτυπωτής. «Το λιωμένο αλουμίνιο θα καταστρέψει σχεδόν τα πάντα στο πέρασμά του. Ξεκινήσαμε με ακροφύσια από ανοξείδωτο χάλυβα και μετά προχωρήσαμε στο τιτάνιο πριν καταλήξουμε στα κεραμικά. Αλλά ακόμη και τα κεραμικά ακροφύσια μπορεί να φράξουν επειδή η θέρμανση δεν είναι πάντα εντελώς ομοιόμορφη στο άκρο του ακροφυσίου», λέει ο Karsan. Με την έγχυση του τηγμένου υλικού απευθείας σε μια κοκκώδη ουσία, οι ερευνητές δεν χρειάζεται να εκτυπώσουν στηρίγματα για να κρατήσουν τη δομή αλουμινίου καθώς παίρνει σχήμα. μεταλλική σπείρα Η διαδικασία LMP μπορεί να επιτρέψει την εκτύπωση πολύπλοκων γεωμετριών, όπως η σπείρα που φαίνεται εδώ. (Εικόνα: MIT Self-Assembly Lab)

Τελειοποίηση της διαδικασίας

Πειραματίστηκαν με διάφορα υλικά για να γεμίσουν το κρεβάτι εκτύπωσης, συμπεριλαμβανομένων σκονών γραφίτη και αλατιού, πριν επιλέξουν γυάλινες χάντρες 100 μικρών. Οι μικροσκοπικές γυάλινες χάντρες, οι οποίες αντέχουν στην εξαιρετικά υψηλή θερμοκρασία του λιωμένου αλουμινίου, λειτουργούν ως ουδέτερη ανάρτηση ώστε το μέταλλο να μπορεί να κρυώσει γρήγορα. «Οι γυάλινες χάντρες είναι τόσο λεπτές που αισθάνονται σαν μετάξι στο χέρι σου. Η σκόνη είναι τόσο μικρή που δεν αλλάζει πραγματικά τα χαρακτηριστικά της επιφάνειας του τυπωμένου αντικειμένου», λέει ο Tibbits. Η ποσότητα του λιωμένου υλικού που συγκρατείται στο χωνευτήριο, το βάθος της κλίνης εκτύπωσης και το μέγεθος και το σχήμα του ακροφυσίου έχουν τις μεγαλύτερες επιπτώσεις στη γεωμετρία του τελικού αντικειμένου. Για παράδειγμα, τμήματα του αντικειμένου με μεγαλύτερες διαμέτρους εκτυπώνονται πρώτα, καθώς η ποσότητα αλουμινίου που διανέμει το ακροφύσιο μειώνεται καθώς αδειάζει το χωνευτήριο. Η αλλαγή του βάθους του ακροφυσίου αλλάζει το πάχος της μεταλλικής κατασκευής. Για να βοηθήσουν στη διαδικασία LMP, οι ερευνητές ανέπτυξαν ένα αριθμητικό μοντέλο για να εκτιμήσουν την ποσότητα του υλικού που θα αποτεθεί στο κρεβάτι εκτύπωσης σε μια δεδομένη στιγμή. Επειδή το ακροφύσιο σπρώχνει στη σκόνη γυάλινων σφαιριδίων, οι ερευνητές δεν μπορούν να παρακολουθήσουν το λιωμένο αλουμίνιο καθώς εναποτίθεται, έτσι χρειάζονταν έναν τρόπο να προσομοιώσουν τι θα έπρεπε να συμβαίνει σε ορισμένα σημεία της διαδικασίας εκτύπωσης, εξηγεί ο Tibbits. Τρισδιάστατα τυπωμένα μεταλλικά μπουλόνια Οι ερευνητές μπορούν να προσαρμόσουν τον ρυθμό τροφοδοσίας της διαδικασίας εκτύπωσης υγρού μετάλλου, έτσι ώστε να εναποτίθεται περισσότερο ή λιγότερο υλικό καθώς το ακροφύσιο κινείται, αλλάζοντας το σχήμα του εκτυπωμένου αντικειμένου. (Εικόνα: MIT Self-Assembly Lab) Χρησιμοποίησαν LMP για να παράγουν γρήγορα κουφώματα αλουμινίου με μεταβλητά πάχη, τα οποία ήταν αρκετά ανθεκτικά για να αντέχουν σε διαδικασίες μηχανικής κατεργασίας όπως φρεζάρισμα και διάτρηση. Έδειξαν έναν συνδυασμό LMP και αυτών των τεχνικών μετα-επεξεργασίας για να φτιάξουν καρέκλες και ένα τραπέζι που αποτελείται από εξαρτήματα αλουμινίου χαμηλότερης ανάλυσης, γρήγορα τυπωμένα και άλλα εξαρτήματα, όπως κομμάτια ξύλου. Προχωρώντας προς τα εμπρός, οι ερευνητές θέλουν να συνεχίσουν να επαναλαμβάνουν τη μηχανή, ώστε να μπορούν να επιτρέψουν τη σταθερή θέρμανση στο ακροφύσιο για να αποτρέψουν το κόλλημα του υλικού και επίσης να επιτύχουν καλύτερο έλεγχο της ροής του λιωμένου υλικού. Αλλά οι μεγαλύτερες διάμετροι ακροφυσίων μπορεί να οδηγήσουν σε ακανόνιστες εκτυπώσεις, επομένως υπάρχουν ακόμα τεχνικές προκλήσεις που πρέπει να ξεπεραστούν. «Αν μπορούσαμε να κάνουμε αυτό το μηχάνημα κάτι που οι άνθρωποι θα μπορούσαν πραγματικά να χρησιμοποιήσουν για να λιώσουν ανακυκλωμένο αλουμίνιο και να εκτυπώσουν εξαρτήματα, αυτό θα άλλαζε το παιχνίδι στην κατασκευή μετάλλων. Αυτή τη στιγμή, δεν είναι αρκετά αξιόπιστο για να γίνει αυτό, αλλά αυτός είναι ο στόχος», λέει ο Tibbits. «Στην Emeco, προερχόμαστε από τον κόσμο της πολύ αναλογικής κατασκευής, οπότε βλέποντας την εκτύπωση υγρού μετάλλου να δημιουργεί λεπτές γεωμετρίες με δυνατότητα για πλήρως δομικά μέρη ήταν πραγματικά συναρπαστικό», λέει ο Jaye Buchbinder, ο οποίος ηγείται της επιχειρηματικής ανάπτυξης για την εταιρεία επίπλων Emeco και ήταν δεν εμπλέκεται σε αυτή τη δουλειά. «Η εκτύπωση σε υγρό μέταλλο ξεπερνά πραγματικά τη γραμμή όσον αφορά την ικανότητα παραγωγής μεταλλικών εξαρτημάτων σε προσαρμοσμένες γεωμετρίες, διατηρώντας ταυτόχρονα γρήγορη ανάκαμψη που συνήθως δεν έχετε σε άλλες τεχνολογίες εκτύπωσης ή διαμόρφωσης. Υπάρχει σίγουρα δυνατότητα η τεχνολογία να φέρει επανάσταση στον τρόπο με τον οποίο χειρίζεται αυτή τη στιγμή η εκτύπωση και η μορφοποίηση μετάλλων».

Σφραγίδα ώρας:

Περισσότερα από Νανοχόκ