محققان پرینت سه بعدی سریع با فلز مایع را نشان می دهند (به همراه ویدیو)

محققان پرینت سه بعدی سریع با فلز مایع را نشان می دهند (به همراه ویدیو)

تمبر زمان: 26 ژانویه 2024، ساعت 4:08 بعد از ظهر
گره منبع: 3085676
26 ژانویه 2024 (اخبار نانوورکمحققان MIT یک تکنیک تولید افزودنی را توسعه داده‌اند که می‌تواند به سرعت با فلز مایع چاپ کند و قطعات بزرگی مانند پایه‌های میز و قاب صندلی را در عرض چند دقیقه تولید کند. روش آنها که چاپ فلز مایع (LMP) نامیده می شود، شامل رسوب آلومینیوم مذاب در طول مسیری از پیش تعریف شده در بستری از دانه های شیشه ای ریز است. آلومینیوم به سرعت به یک ساختار سه بعدی سخت می شود.

[محتوای جاسازی شده]

محققان می گویند LMP حداقل 10 برابر سریعتر از یک فرآیند تولید افزودنی فلزی قابل مقایسه است و روش گرم کردن و ذوب فلز کارآمدتر از روش های دیگر است. این تکنیک وضوح را فدای سرعت و مقیاس می کند. در حالی که می‌تواند قطعات بزرگ‌تر از مواردی را که معمولاً با تکنیک‌های افزودنی کندتر ساخته می‌شوند، چاپ کند، و با هزینه کمتر، نمی‌تواند به وضوح بالا دست یابد. به عنوان مثال، قطعات تولید شده با LMP برای برخی از کاربردها در معماری، ساخت و ساز و طراحی صنعتی مناسب هستند، جایی که اجزای سازه های بزرگتر اغلب به جزئیات بسیار ظریف نیاز ندارند. همچنین می تواند به طور موثر برای نمونه سازی سریع با فلزات بازیافت شده یا ضایعات استفاده شود. در یک مطالعه اخیر، محققان این روش را با چاپ قاب‌ها و قطعات آلومینیومی برای میزها و صندلی‌ها نشان دادند که به اندازه کافی قوی بودند که در برابر ماشین‌کاری پس از چاپ مقاومت کنند. آنها نشان دادند که چگونه اجزای ساخته شده با LMP می توانند با فرآیندهای با وضوح بالا و مواد اضافی برای ایجاد مبلمان کاربردی ترکیب شوند. «این یک جهت کاملاً متفاوت در نحوه تفکر ما در مورد تولید فلز است که مزایای بزرگی دارد. معایب هم داره اما بیشتر دنیای ساخته شده ما - چیزهایی که در اطراف ما هستند مانند میز، صندلی و ساختمان - به وضوح بسیار بالایی نیاز ندارند. سرعت و مقیاس، و همچنین تکرارپذیری و مصرف انرژی، همه معیارهای مهمی هستند.“چاپ فلز مایع”; PDF). نویسنده اصلی، Zain Karsan SM '23، که اکنون دانشجوی دکترا در ETH زوریخ است، به Tibbits در مقاله پیوسته است. و همچنین Kimball Kaiser SM '22 و Jared Laucks، دانشمند محقق و مدیر آزمایشگاه. این تحقیق در کنفرانس انجمن طراحی به کمک کامپیوتر در معماری ارائه شد و اخیراً در مجموعه مقالات انجمن منتشر شد. فرآیند چاپ فلز مایع شامل ریختن آلومینیوم مذاب در طول مسیری از پیش تعریف شده در بستری از دانه های شیشه ای کوچک است. فرآیند چاپ فلز مایع شامل رسوب آلومینیوم مذاب در امتداد یک مسیر از پیش تعریف شده در بستری از دانه های شیشه ای کوچک است، همانطور که در اینجا مشاهده می شود. (تصویر: MIT Self-Assembly Lab)

افزایش سرعت قابل توجه

یکی از روش‌های چاپ با فلزات که در ساخت و ساز و معماری رایج است، به نام تولید افزودنی قوس سیمی (WAAM) می‌تواند ساختارهای بزرگ و با وضوح پایین تولید کند، اما اینها می‌توانند در معرض ترک خوردن و تاب برداشتن باشند، زیرا برخی از بخش‌ها باید در طول زمان ذوب مجدد شوند. فرآیند چاپ از سوی دیگر، LMP مواد را در طول فرآیند مذاب نگه می دارد و از برخی مسائل ساختاری ناشی از ذوب مجدد جلوگیری می کند. محققان با استفاده از کارهای قبلی این گروه در زمینه چاپ مایع سریع با لاستیک، ماشینی ساختند که آلومینیوم را ذوب می کند، فلز مذاب را نگه می دارد و آن را از طریق یک نازل با سرعت بالا رسوب می دهد. قطعات در مقیاس بزرگ را می توان تنها در چند ثانیه چاپ کرد و سپس آلومینیوم مذاب ظرف چند دقیقه خنک می شود. «نرخ فرآیند ما واقعاً بالا است، اما کنترل آن نیز بسیار دشوار است. کم و بیش مانند باز کردن شیر آب است. شما حجم زیادی از مواد برای ذوب دارید، که مدتی طول می کشد، اما زمانی که به ذوب شدن آن رسیدید، درست مانند باز کردن یک شیر آب است. کارسان توضیح می‌دهد که ما را قادر می‌سازد این هندسه‌ها را خیلی سریع چاپ کنیم. این تیم آلومینیوم را انتخاب کردند زیرا معمولاً در ساخت و ساز استفاده می شود و می توان آن را ارزان و کارآمد بازیافت کرد. کارسان می‌افزاید: قطعات آلومینیومی به اندازه قرص نان در یک کوره الکتریکی قرار می‌گیرند، «که اساساً مانند یک توستر بزرگ‌شده است». کویل های فلزی داخل کوره، فلز را تا 700 درجه سانتیگراد، کمی بالاتر از نقطه ذوب 660 درجه آلومینیوم، گرم می کنند. آلومینیوم در یک بوته گرافیتی در دمای بالا نگه داشته می شود و سپس مواد مذاب با نیروی جاذبه از طریق یک نازل سرامیکی به بستر چاپی در امتداد یک مسیر از پیش تعیین شده وارد می شود. آنها دریافتند که هر چه مقدار آلومینیومی که می توانند ذوب شوند بیشتر باشد، چاپگر سریعتر می تواند کار کند. «آلومینیوم مذاب تقریباً هر چیزی را در مسیر خود از بین می برد. ما با نازل های فولادی ضد زنگ شروع کردیم و سپس به سمت تیتانیوم رفتیم قبل از اینکه به سرامیک پایان دهیم. اما حتی نازل‌های سرامیکی نیز می‌توانند مسدود شوند، زیرا گرمایش همیشه در نوک نازل کاملاً یکنواخت نیست.» کارسان می‌گوید. با تزریق مستقیم مواد مذاب به یک ماده دانه‌ای، محققان نیازی به چاپ تکیه‌گاه‌ها برای نگه داشتن ساختار آلومینیومی در شکل گرفتن آن ندارند. مارپیچ فلزی فرآیند LMP می تواند چاپ هندسه های پیچیده را فعال کند، مانند مارپیچی که در اینجا مشاهده می شود. (تصویر: MIT Self-Assembly Lab)

کامل کردن فرآیند

آنها قبل از انتخاب مهره های شیشه ای 100 میکرونی، با تعدادی از مواد برای پر کردن بستر چاپ، از جمله پودر گرافیت و نمک، آزمایش کردند. دانه های شیشه ای ریز که می توانند در برابر دمای بسیار بالای آلومینیوم مذاب مقاومت کنند، به عنوان یک تعلیق خنثی عمل می کنند تا فلز به سرعت خنک شود. مهره های شیشه ای آنقدر ظریف هستند که در دست شما مانند ابریشم است. پودر آنقدر کوچک است که واقعاً ویژگی‌های سطح جسم چاپی را تغییر نمی‌دهد.» Tibbits می‌گوید. مقدار مواد مذاب نگهداری شده در بوته، عمق بستر چاپ و اندازه و شکل نازل بیشترین تأثیر را بر هندسه جسم نهایی دارد. برای مثال، قسمت‌هایی از جسم با قطرهای بزرگ‌تر ابتدا چاپ می‌شوند، زیرا مقدار آلومینیومی که نازل پخش می‌کند با خالی شدن بوته کاهش می‌یابد. تغییر عمق نازل ضخامت ساختار فلزی را تغییر می دهد. برای کمک به فرآیند LMP، محققان یک مدل عددی برای تخمین مقدار ماده ای که در یک زمان معین در بستر چاپ سپرده می شود، توسعه دادند. Tibbits توضیح می‌دهد که از آنجایی که نازل به پودر مهره‌های شیشه‌ای فشار می‌آورد، محققان نمی‌توانند آلومینیوم مذاب را در حین ته نشین شدن آن تماشا کنند، بنابراین به راهی برای شبیه‌سازی آنچه باید در نقاط خاصی از فرآیند چاپ روی دهد نیاز داشتند. پیچ و مهره های فلزی پرینت سه بعدی محققان می توانند نرخ خوراک فرآیند چاپ فلز مایع را تنظیم کنند تا با حرکت نازل، مواد کم و بیش ته نشین شود و شکل شی چاپ شده را تغییر دهد. (تصویر: MIT Self-Assembly Lab) آنها از LMP برای تولید سریع قاب های آلومینیومی با ضخامت های متغیر استفاده کردند که به اندازه کافی بادوام بودند تا بتوانند در برابر فرآیندهای ماشینکاری مانند فرز و خسته کننده مقاومت کنند. آنها ترکیبی از LMP و این تکنیک‌های پس‌فرآوری را برای ساختن صندلی‌ها و میزی متشکل از قطعات آلومینیومی با وضوح پایین‌تر و پرینت سریع و اجزای دیگر، مانند قطعات چوب، نشان دادند. در حرکت رو به جلو، محققان می‌خواهند به تکرار روی دستگاه ادامه دهند تا بتوانند گرمایش مداوم در نازل را برای جلوگیری از چسبیدن مواد فعال کنند و همچنین کنترل بهتری بر جریان مواد مذاب داشته باشند. اما قطر نازل بزرگتر می تواند منجر به چاپ نامنظم شود، بنابراین هنوز چالش های فنی برای غلبه بر وجود دارد. «اگر ما بتوانیم این دستگاه را چیزی بسازیم که مردم واقعاً بتوانند از آن برای ذوب کردن آلومینیوم بازیافتی و چاپ قطعات استفاده کنند، می‌توانیم بازی را در تولید فلز تغییر دهیم. در حال حاضر، انجام آن به اندازه کافی قابل اعتماد نیست، اما هدف این است. Jaye Buchbinder، که توسعه کسب و کار را برای شرکت مبلمان Emeco رهبری می کند، می گوید: "در Emeco، ما از دنیای تولید بسیار آنالوگ آمده ایم، بنابراین دیدن چاپ فلز مایع ایجاد هندسه های ظریف با پتانسیل قطعات کاملاً ساختاری واقعاً قانع کننده بود." درگیر این کار نیست «چاپ فلز مایع واقعاً از نظر توانایی تولید قطعات فلزی در هندسه‌های سفارشی و در عین حال چرخش سریعی که معمولاً در سایر فناوری‌های چاپ یا شکل‌دهی به آن نمی‌رسد، خط می‌کشد. قطعا پتانسیل این فناوری وجود دارد که روشی را که در حال حاضر چاپ فلز و شکل دهی فلزات انجام می شود، متحول کند.

تمبر زمان:

بیشتر از نانورک