Para peneliti mendemonstrasikan pencetakan 3D cepat dengan logam cair (dengan video)

26 Januari 2024 (Berita Nanowerk) Peneliti MIT telah mengembangkan teknik manufaktur aditif yang dapat mencetak dengan cepat menggunakan logam cair, menghasilkan komponen berskala besar seperti kaki meja dan rangka kursi dalam hitungan menit. Teknik mereka, yang disebut pencetakan logam cair (LMP), melibatkan pengendapan aluminium cair di sepanjang jalur yang telah ditentukan ke dalam lapisan manik-manik kaca kecil. Aluminium dengan cepat mengeras menjadi struktur 3D.

[Embedded content]

Para peneliti mengatakan LMP setidaknya 10 kali lebih cepat dibandingkan proses pembuatan aditif logam serupa, dan prosedur untuk memanaskan dan melelehkan logam lebih efisien dibandingkan beberapa metode lainnya. Teknik ini mengorbankan resolusi demi kecepatan dan skala. Meskipun dapat mencetak komponen yang lebih besar dibandingkan yang biasanya dibuat dengan teknik aditif yang lebih lambat, dan dengan biaya lebih rendah, namun tidak dapat mencapai resolusi tinggi. Misalnya, suku cadang yang diproduksi dengan LMP akan cocok untuk beberapa aplikasi dalam arsitektur, konstruksi, dan desain industri, di mana komponen struktur yang lebih besar seringkali tidak memerlukan detail yang sangat detail. Ini juga dapat digunakan secara efektif untuk pembuatan prototipe cepat dengan logam daur ulang atau besi tua. Dalam studi baru-baru ini, para peneliti mendemonstrasikan prosedur tersebut dengan mencetak bingkai aluminium dan bagian-bagian meja dan kursi yang cukup kuat untuk menahan permesinan pascacetak. Mereka menunjukkan bagaimana komponen yang dibuat dengan LMP dapat dikombinasikan dengan proses resolusi tinggi dan material tambahan untuk menciptakan furnitur fungsional. “Ini adalah arah yang sangat berbeda dalam cara kita berpikir tentang manufaktur logam yang memiliki beberapa keuntungan besar. Ini juga memiliki kelemahan. Namun sebagian besar dunia yang kita bangun – benda-benda di sekitar kita seperti meja, kursi, dan bangunan – tidak memerlukan resolusi yang sangat tinggi. Kecepatan dan skala, serta kemampuan pengulangan dan konsumsi energi, semuanya merupakan metrik yang penting,” kata Skylar Tibbits, profesor di Departemen Arsitektur dan salah satu direktur Self-Assembly Lab, yang merupakan penulis senior makalah yang memperkenalkan LMP (“Pencetakan Logam Cair”; PDF). Tibbits bergabung dalam makalah ini dengan penulis utama Zain Karsan SM '23, yang sekarang menjadi mahasiswa PhD di ETH Zurich; serta Kimball Kaiser SM '22 dan Jared Laucks, seorang ilmuwan riset dan salah satu direktur lab. Penelitian ini dipresentasikan di Association for Computer Aided Design in Architecture Conference dan baru-baru ini diterbitkan dalam prosiding asosiasi tersebut. Proses pencetakan logam cair melibatkan pengendapan aluminium cair di sepanjang jalur yang telah ditentukan ke dalam lapisan manik-manik kaca kecil, seperti yang terlihat di sini. (Gambar: Lab Perakitan Mandiri MIT)

Percepatan yang signifikan

Salah satu metode pencetakan dengan logam yang umum dalam konstruksi dan arsitektur, disebut wire arc additive manufacturing (WAAM), mampu menghasilkan struktur besar dan beresolusi rendah, namun rentan retak dan melengkung karena beberapa bagian harus dicairkan kembali selama proses pencetakan. proses pencetakan. LMP, sebaliknya, menjaga material tetap cair selama proses berlangsung, menghindari beberapa masalah struktural yang disebabkan oleh peleburan kembali. Berdasarkan penelitian kelompok sebelumnya mengenai pencetakan cairan cepat dengan karet, para peneliti membangun sebuah mesin yang melelehkan aluminium, menahan logam cair, dan menyimpannya melalui nosel dengan kecepatan tinggi. Komponen berskala besar dapat dicetak hanya dalam beberapa detik, dan kemudian aluminium cair mendingin dalam beberapa menit. “Laju proses kami sangat tinggi, tetapi juga sangat sulit dikendalikan. Kurang lebih seperti membuka keran. Anda mempunyai sejumlah besar bahan untuk dicairkan, yang membutuhkan waktu, namun begitu Anda berhasil melelehkannya, rasanya seperti membuka keran. Hal ini memungkinkan kami mencetak geometri ini dengan sangat cepat,” jelas Karsan. Tim memilih aluminium karena umum digunakan dalam konstruksi dan dapat didaur ulang dengan murah dan efisien. Potongan-potongan aluminium seukuran roti dimasukkan ke dalam tungku listrik, “yang pada dasarnya seperti pemanggang roti yang diperbesar,” tambah Karsan. Kumparan logam di dalam tungku memanaskan logam hingga 700 derajat Celcius, sedikit di atas titik leleh aluminium 660 derajat. Aluminium disimpan pada suhu tinggi dalam wadah grafit, dan kemudian material cair dimasukkan secara gravitasi melalui nosel keramik ke dalam alas cetak sepanjang jalur yang telah ditentukan. Mereka menemukan bahwa semakin besar jumlah aluminium yang dapat dicairkan, semakin cepat pula printer dapat bekerja. “Aluminium cair akan menghancurkan apa saja yang dilewatinya. Kami memulai dengan nozel baja tahan karat dan kemudian beralih ke titanium sebelum berakhir dengan keramik. Namun nosel keramik pun bisa tersumbat karena pemanasan di ujung nosel tidak selalu merata,” kata Karsan. Dengan menyuntikkan bahan cair langsung ke dalam zat granular, para peneliti tidak perlu mencetak penyangga untuk menahan struktur aluminium saat terbentuk. Proses LMP memungkinkan pencetakan geometri kompleks, seperti spiral yang terlihat di sini. (Gambar: Lab Perakitan Mandiri MIT)

Menyempurnakan prosesnya

Mereka bereksperimen dengan sejumlah bahan untuk mengisi alas cetak, termasuk bubuk grafit dan garam, sebelum memilih manik-manik kaca berukuran 100 mikron. Manik-manik kaca kecil, yang dapat menahan suhu cair aluminium yang sangat tinggi, bertindak sebagai suspensi netral sehingga logam dapat mendingin dengan cepat. “Manik-manik kacanya sangat halus sehingga terasa seperti sutra di tangan Anda. Serbuknya sangat kecil sehingga tidak terlalu mengubah karakteristik permukaan benda cetakan,” kata Tibbits. Jumlah bahan cair yang tertampung dalam wadah, kedalaman alas cetak, serta ukuran dan bentuk nosel memiliki dampak terbesar pada geometri benda akhir. Misalnya, bagian benda dengan diameter lebih besar dicetak terlebih dahulu, karena jumlah aluminium yang dikeluarkan nosel berkurang seiring dengan pengosongan wadah. Mengubah kedalaman nosel mengubah ketebalan struktur logam. Untuk membantu proses LMP, para peneliti mengembangkan model numerik untuk memperkirakan jumlah material yang akan disimpan ke dalam print bed pada waktu tertentu. Karena nosel mendorong bubuk manik-manik kaca, para peneliti tidak dapat melihat lelehan aluminium saat diendapkan, sehingga mereka memerlukan cara untuk mensimulasikan apa yang seharusnya terjadi pada titik-titik tertentu dalam proses pencetakan, jelas Tibbits. Para peneliti dapat menyesuaikan laju pengumpanan proses pencetakan logam cair sehingga lebih banyak atau lebih sedikit material yang mengendap saat nosel bergerak, sehingga mengubah bentuk objek yang dicetak. (Gambar: MIT Self-Assembly Lab) Mereka menggunakan LMP untuk secara cepat memproduksi rangka aluminium dengan ketebalan bervariasi, yang cukup tahan lama untuk menahan proses pemesinan seperti penggilingan dan pengeboran. Mereka mendemonstrasikan kombinasi LMP dan teknik pasca-pemrosesan untuk membuat kursi dan meja yang terdiri dari komponen aluminium beresolusi rendah yang dicetak dengan cepat dan komponen lainnya, seperti potongan kayu. Ke depan, para peneliti ingin terus melakukan iterasi pada mesin sehingga mereka dapat mengaktifkan pemanasan yang konsisten di nosel untuk mencegah material lengket, dan juga mencapai kontrol yang lebih baik terhadap aliran material cair. Namun diameter nosel yang lebih besar dapat menyebabkan cetakan tidak teratur, sehingga masih ada tantangan teknis yang harus diatasi. “Jika kita dapat menjadikan mesin ini sesuatu yang benar-benar dapat digunakan orang untuk melebur aluminium daur ulang dan mencetak komponen, hal ini akan menjadi terobosan baru dalam manufaktur logam. Saat ini, hal tersebut belum cukup dapat diandalkan, namun itulah tujuannya,” kata Tibbits. “Di Emeco, kami berasal dari dunia manufaktur yang sangat analog, jadi melihat pencetakan logam cair menciptakan geometri bernuansa dengan potensi komponen struktural penuh sungguh menarik,” kata Jaye Buchbinder, yang memimpin pengembangan bisnis untuk perusahaan furnitur Emeco dan dulunya tidak terlibat dengan pekerjaan ini. “Pencetakan logam cair benar-benar terdepan dalam hal kemampuan memproduksi komponen logam dalam geometri khusus sambil mempertahankan penyelesaian cepat yang biasanya tidak Anda dapatkan dalam teknologi pencetakan atau pembentukan lainnya. Teknologi ini mempunyai potensi untuk merevolusi cara penanganan pencetakan dan pembentukan logam saat ini.”

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• PlatoData.Jaringan Vertikal Generatif Ai. Berdayakan Diri Anda. Akses Di Sini.
• PlatoAiStream. Intelijen Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• PlatoESG. Karbon, teknologi bersih, energi, Lingkungan Hidup, Tenaga surya, Penanganan limbah. Akses Di Sini.
• PlatoHealth. Kecerdasan Uji Coba Biotek dan Klinis. Akses Di Sini.
• Sumber: https://www.nanowerk.com/news2/gadget/newsid=64521.php