חוקרים מדגימים הדפסת תלת מימד מהירה עם מתכת נוזלית (עם וידאו)

חוקרים מדגימים הדפסת תלת מימד מהירה עם מתכת נוזלית (עם וידאו)

חותמת זמן: 26 בינואר 2024 4:08
צומת המקור: 3085676
26 בינואר 2024 (חדשות Nanowerk) חוקרי MIT פיתחו טכניקת ייצור תוסף שיכולה להדפיס במהירות עם מתכת נוזלית, לייצר חלקים בקנה מידה גדול כמו רגלי שולחן ומסגרות כיסא תוך דקות ספורות. הטכניקה שלהם, הנקראת הדפסת מתכת נוזלית (LMP), כוללת הפקדת אלומיניום מותך לאורך נתיב מוגדר מראש לתוך מצע של חרוזי זכוכית זעירים. האלומיניום מתקשה במהירות למבנה תלת מימדי.

[תוכן מוטבע]

החוקרים טוענים כי LMP מהיר לפחות פי 10 מתהליך ייצור דומה של תוסף מתכת, וההליך לחימום והמסת המתכת יעיל יותר מכמה שיטות אחרות. הטכניקה אכן מקריבה רזולוציה עבור מהירות וקנה מידה. למרות שהוא יכול להדפיס רכיבים גדולים יותר מאלה המיוצרים בדרך כלל עם טכניקות תוספים איטיות יותר, ובעלות נמוכה יותר, הוא לא יכול להשיג רזולוציות גבוהות. לדוגמה, חלקים המיוצרים עם LMP יתאימו ליישומים מסוימים בארכיטקטורה, בנייה ועיצוב תעשייתי, שבהם רכיבים של מבנים גדולים יותר לרוב אינם דורשים פרטים עדינים במיוחד. זה יכול לשמש ביעילות גם עבור אב טיפוס מהיר עם מתכת ממוחזרת או גרוטאות. במחקר שנערך לאחרונה, החוקרים הדגימו את ההליך על ידי הדפסת מסגרות אלומיניום וחלקים לשולחנות וכיסאות שהיו חזקים מספיק כדי לעמוד בעיבוד שבבי לאחר הדפסה. הם הראו כיצד ניתן לשלב רכיבים המיוצרים עם LMP עם תהליכים ברזולוציה גבוהה וחומרים נוספים כדי ליצור ריהוט פונקציונלי. "זהו כיוון שונה לחלוטין באופן שבו אנחנו חושבים על ייצור מתכת שיש לו כמה יתרונות עצומים. יש לזה גם חסרונות. אבל רוב העולם הבנוי שלנו - הדברים שסביבנו כמו שולחנות, כיסאות ובניינים - אינם זקוקים לרזולוציה גבוהה במיוחד. מהירות וקנה מידה, וגם חזרות וצריכת אנרגיה, הם כולם מדדים חשובים", אומר Skylar Tibbits, פרופסור חבר במחלקה לארכיטקטורה ומנהל שותף של המעבדה להרכבה עצמית, שהוא מחבר בכיר של מאמר המציג את LMP ("הדפסת מתכת נוזלית"; PDF). לטיביטס מצטרף הסופר הראשי Zain Karsan SM '23, שהוא כעת סטודנט לדוקטורט ב-ETH ציריך; כמו גם Kimball Kaiser SM '22 וג'ארד לאוקס, מדען מחקר ומנהל שותף במעבדה. המחקר הוצג בכנס האגודה לעיצוב ממוחשב באדריכלות ופורסם לאחרונה בהליכי האגודה. תהליך הדפסת מתכת נוזלית כולל הפקדת אלומיניום מותך לאורך נתיב מוגדר מראש לתוך מצע של חרוזי זכוכית זעירים תהליך הדפסת מתכת נוזלית כולל הפקדת אלומיניום מותך לאורך נתיב מוגדר מראש לתוך מצע של חרוזי זכוכית זעירים, כפי שניתן לראות כאן. (תמונה: מעבדה להרכבה עצמית של MIT)

האצה משמעותית

שיטה אחת להדפסה עם מתכות הנפוצה בבנייה ובאדריכלות, הנקראת ייצור תוסף קשת תיל (WAAM), מסוגלת לייצר מבנים גדולים ברזולוציה נמוכה, אך אלה עלולים להיות רגישים לסדקים ולעוויתות מכיוון שחלק מהחלקים חייבים להיות מומסים מחדש במהלך תהליך ההדפסה. LMP, לעומת זאת, שומר על החומר מותך לאורך כל התהליך, תוך הימנעות מכמה מהבעיות המבניות שנגרמות מהמסה מחדש. בהסתמך על עבודתה הקודמת של הקבוצה על הדפסה נוזלית מהירה עם גומי, החוקרים בנו מכונה הממיסה אלומיניום, מחזיקה את המתכת המותכת ומפקידה אותה דרך זרבובית במהירויות גבוהות. ניתן להדפיס חלקים בקנה מידה גדול תוך שניות בודדות, ואז האלומיניום המותך מתקרר תוך מספר דקות. "קצב התהליך שלנו הוא ממש גבוה, אבל גם קשה מאוד לשלוט בו. זה פחות או יותר כמו לפתוח ברז. יש לך נפח גדול של חומר להמיס, וזה לוקח קצת זמן, אבל ברגע שאתה מקבל את זה להמס, זה בדיוק כמו לפתוח ברז. זה מאפשר לנו להדפיס את הגיאומטריות האלה מהר מאוד", מסביר קרסן. הצוות בחר באלומיניום מכיוון שהוא נפוץ בבנייה וניתן למחזר אותו בזול וביעילות. חתיכות אלומיניום בגודל כיכר לחם מופקדות בכבשן חשמלי, "שזה בעצם כמו טוסטר מוקטן", מוסיף קרסן. סלילי מתכת בתוך הכבשן מחממים את המתכת ל-700 מעלות צלזיוס, מעט מעל נקודת ההיתוך של האלומיניום של 660 מעלות. האלומיניום מוחזק בטמפרטורה גבוהה בכור היתוך גרפיט, ולאחר מכן חומר מותך מוזן דרך זרבובית קרמית לתוך מצע הדפסה לאורך נתיב מוגדר מראש. הם גילו שככל שכמות האלומיניום שהם יכולים להמיס גדולה יותר, כך המדפסת יכולה לעבוד מהר יותר. "אלומיניום מותך יהרוס כמעט כל דבר בדרכו. התחלנו עם חרירי נירוסטה ואז עברנו לטיטניום לפני שסיימנו עם קרמיקה. אבל אפילו חרירי קרמיקה עלולים להיסתם מכיוון שהחימום לא תמיד אחיד לחלוטין בקצה הזרבובית", אומר קרסן. על ידי הזרקת החומר המותך ישירות לחומר גרגירי, החוקרים לא צריכים להדפיס תומכים כדי להחזיק את מבנה האלומיניום כשהוא מקבל צורה. ספירלת מתכת תהליך LMP יכול לאפשר הדפסה של גיאומטריות מורכבות, כמו הספירלה הנראית כאן. (תמונה: מעבדה להרכבה עצמית של MIT)

משכלל את התהליך

הם התנסו עם מספר חומרים למילוי מצע ההדפסה, כולל אבקות גרפיט ומלח, לפני שבחרו חרוזי זכוכית בגודל 100 מיקרון. חרוזי הזכוכית הזעירים, שיכולים לעמוד בטמפרטורה הגבוהה ביותר של אלומיניום מותך, פועלים כמתלה ניטרלי כך שהמתכת יכולה להתקרר במהירות. "חרוזי הזכוכית כל כך עדינים שהם מרגישים כמו משי ביד שלך. האבקה כל כך קטנה שהיא לא ממש משנה את מאפייני פני השטח של האובייקט המודפס", אומר טיביטס. לכמות החומר המותך המוחזקת בכור ההיתוך, לעומק מצע ההדפסה ולגודל וצורת הפייה יש את ההשפעות הגדולות ביותר על הגיאומטריה של האובייקט הסופי. לדוגמה, חלקים מהאובייקט בעלי קטרים ​​גדולים יותר מודפסים תחילה, מכיוון שכמות האלומיניום שהזרבובית מוציאה מתחדדת ככל שהכור ההיתוך מתרוקן. שינוי עומק הזרבובית משנה את עובי מבנה המתכת. כדי לסייע בתהליך LMP, החוקרים פיתחו מודל מספרי להערכת כמות החומר שתופקד למיטה ההדפסה בזמן נתון. מכיוון שהזרבובית נדחפת לתוך אבקת חרוזי הזכוכית, החוקרים לא יכולים לצפות באלומיניום המותך בזמן שהוא מושקע, אז הם היו צריכים דרך לדמות מה צריך להתרחש בנקודות מסוימות בתהליך ההדפסה, מסביר טיביטס. ברגי מתכת מודפסים בתלת מימד החוקרים יכולים להתאים את קצב ההזנה של תהליך הדפסת המתכת הנוזלית, כך שפחות או יותר חומר מושקע בזמן שהזרבובית נעה, ומשנה את צורת האובייקט המודפס. (תמונה: MIT Self-Assembly Lab) הם השתמשו ב-LMP כדי לייצר במהירות מסגרות אלומיניום בעוביים משתנים, שהיו עמידות מספיק כדי לעמוד בתהליכי עיבוד שבבי כמו כרסום וקימום. הם הדגימו שילוב של LMP וטכניקות שלאחר עיבוד אלה לייצור כיסאות ושולחן המורכב מחלקי אלומיניום ברזולוציה נמוכה יותר, מודפסים במהירות ורכיבים אחרים, כמו חלקי עץ. בהמשך, החוקרים רוצים להמשיך לבצע איטרציה על המכונה כדי שיוכלו לאפשר חימום עקבי בזרבובית כדי למנוע הידבקות של חומר, וגם להשיג שליטה טובה יותר על זרימת החומר המותך. אבל קטרים ​​גדולים יותר של זרבובית יכולים להוביל להדפסים לא סדירים, כך שעדיין יש אתגרים טכניים להתגבר עליהם. "אם נוכל להפוך את המכונה הזו למשהו שאנשים באמת יכולים להשתמש בו כדי להמיס אלומיניום ממוחזר ולהדפיס חלקים, זה יהיה מחליף משחק בייצור מתכת. כרגע, זה לא מספיק אמין לעשות את זה, אבל זו המטרה", אומר טיביטס. "ב-Emeco, אנחנו באים מעולם הייצור האנלוגי מאוד, כך שלראות את הדפסת המתכת הנוזלית יוצרת גיאומטריות מגוונות עם פוטנציאל לחלקים מבניים מלאים, היה ממש משכנע", אומר ג'יי בוכבינדר, שמוביל את הפיתוח העסקי של חברת הרהיטים Emeco. לא מעורב בעבודה הזו. "הדפסת המתכת הנוזלית באמת הולכת על הקו מבחינת היכולת לייצר חלקי מתכת בגיאומטריות מותאמות אישית תוך שמירה על תפנית מהירה שבדרך כלל אינך מקבל בטכנולוגיות הדפסה או גיבוש אחרות. בהחלט יש פוטנציאל לטכנולוגיה לחולל מהפכה בדרך שבה מטופלים כיום הדפסת מתכת ויצירת מתכות".

בול זמן:

עוד מ ננוווק