Forskere demonstrerer rask 3D-utskrift med flytende metall (m/video)

Forskere demonstrerer rask 3D-utskrift med flytende metall (m/video)

Tidsstempel: 26. januar 2024 4:08
Kilde node: 3085676
26. januar 2024 (Nanowerk Nyheter) MIT-forskere har utviklet en additiv produksjonsteknikk som kan skrive ut raskt med flytende metall, og produsere store deler som bordben og stolrammer i løpet av få minutter. Teknikken deres, kalt flytende metallutskrift (LMP), involverer avsetning av smeltet aluminium langs en forhåndsdefinert bane i en seng av små glassperler. Aluminiumet herder raskt til en 3D-struktur.

[Innebygd innhold]

Forskerne sier at LMP er minst 10 ganger raskere enn en sammenlignbar metalladditiv produksjonsprosess, og prosedyren for å varme og smelte metallet er mer effektiv enn noen andre metoder. Teknikken ofrer oppløsning for hastighet og skala. Selv om den kan skrive ut komponenter som er større enn de som vanligvis er laget med langsommere additivteknikker, og til en lavere kostnad, kan den ikke oppnå høye oppløsninger. For eksempel vil deler produsert med LMP være egnet for noen bruksområder innen arkitektur, konstruksjon og industriell design, der komponenter av større strukturer ofte ikke krever ekstremt fine detaljer. Det kan også brukes effektivt for rask prototyping med resirkulert eller skrapmetall. I en fersk studie demonstrerte forskerne prosedyren ved å skrive ut aluminiumsrammer og deler til bord og stoler som var sterke nok til å tåle postprint-bearbeiding. De viste hvordan komponenter laget med LMP kunne kombineres med høyoppløselige prosesser og tilleggsmaterialer for å lage funksjonelle møbler. "Dette er en helt annen retning i hvordan vi tenker på metallproduksjon som har noen store fordeler. Det har også ulemper. Men det meste av vår bygde verden – tingene rundt oss som bord, stoler og bygninger – trenger ikke ekstremt høy oppløsning. Hastighet og skala, og også repeterbarhet og energiforbruk, er alle viktige beregninger, sier Skylar Tibbits, førsteamanuensis ved Institutt for arkitektur og meddirektør for Self-Assembly Lab, som er seniorforfatter av en artikkel som introduserer LMP ("Flytende metallutskrift"; PDF). Tibbits får selskap på papiret av hovedforfatter Zain Karsan SM '23, som nå er doktorgradsstudent ved ETH Zürich; samt Kimball Kaiser SM '22 og Jared Laucks, en forsker og meddirektør i laboratoriet. Forskningen ble presentert på Association for Computer Aided Design in Architecture Conference og nylig publisert i foreningens prosedyre. Trykkprosessen for flytende metall involverer avsetning av smeltet aluminium langs en forhåndsdefinert bane i en seng av små glassperler Trykkprosessen for flytende metall involverer avsetning av smeltet aluminium langs en forhåndsdefinert bane i en seng av små glassperler, som vist her. (Bilde: MIT Self-Assembly Lab)

Betydelig fremskyndelse

En metode for utskrift med metaller som er vanlig i konstruksjon og arkitektur, kalt wire arc additive manufacturing (WAAM), er i stand til å produsere store strukturer med lav oppløsning, men disse kan være utsatt for sprekkdannelse og vridning fordi noen deler må smeltes om i løpet av utskriftsprosessen. LMP, på den annen side, holder materialet smeltet gjennom hele prosessen, og unngår noen av de strukturelle problemene forårsaket av omsmelting. Med utgangspunkt i gruppens tidligere arbeid med rask flytende utskrift med gummi, bygde forskerne en maskin som smelter aluminium, holder det smeltede metallet og avsetter det gjennom en dyse ved høye hastigheter. Storskala deler kan skrives ut på bare noen få sekunder, og deretter avkjøles det smeltede aluminiumet på flere minutter. "Prosesshastigheten vår er veldig høy, men den er også veldig vanskelig å kontrollere. Det er mer eller mindre som å åpne en kran. Du har et stort volum materiale å smelte, noe som tar litt tid, men når du først får det til å smelte, er det akkurat som å åpne en kran. Det gjør oss i stand til å skrive ut disse geometriene veldig raskt, forklarer Karsan. Teamet valgte aluminium fordi det er ofte brukt i konstruksjon og kan resirkuleres billig og effektivt. Aluminiumsstykker på størrelse med brød blir lagt i en elektrisk ovn, "som i utgangspunktet er som en oppskalert brødrister," legger Karsan til. Metallspiraler inne i ovnen varmer metallet til 700 grader Celsius, litt over aluminiums 660 graders smeltepunkt. Aluminiumet holdes ved høy temperatur i en grafittdigel, og deretter mates smeltet materiale gjennom en keramisk dyse inn i et trykklag langs en forhåndsinnstilt bane. De fant ut at jo større mengde aluminium de kunne smelte, jo raskere kan skriveren gå. «Smeltet aluminium vil ødelegge omtrent alt i veien. Vi begynte med dyser i rustfritt stål og gikk så over til titan før vi endte opp med keramikk. Men selv keramiske dyser kan tette seg fordi oppvarmingen ikke alltid er helt jevn i dysespissen, sier Karsan. Ved å injisere det smeltede materialet direkte inn i en granulær substans, trenger forskerne ikke å skrive ut støtter for å holde aluminiumsstrukturen når den tar form. metallspiral LMP-prosessen kan muliggjøre utskrift av komplekse geometrier, som spiralen vist her. (Bilde: MIT Self-Assembly Lab)

Å perfeksjonere prosessen

De eksperimenterte med en rekke materialer for å fylle utskriftsbedet, inkludert grafittpulver og salt, før de valgte 100 mikron glassperler. De bittesmå glassperlene, som tåler den ekstremt høye temperaturen til smeltet aluminium, fungerer som en nøytral suspensjon slik at metallet kan avkjøles raskt. «Glassperlene er så fine at de føles som silke i hånden. Pulveret er så lite at det egentlig ikke endrer overflateegenskapene til det trykte objektet, sier Tibbits. Mengden smeltet materiale som holdes i digelen, dybden på trykksjiktet og størrelsen og formen på dysen har størst innvirkning på geometrien til det endelige objektet. For eksempel trykkes deler av objektet med større diametre først, siden mengden aluminium som munnstykket dispenserer avtar etter hvert som digelen tømmes. Endring av dybden på dysen endrer tykkelsen på metallstrukturen. For å hjelpe til med LMP-prosessen utviklet forskerne en numerisk modell for å estimere mengden materiale som vil bli avsatt i utskriftsleien på et gitt tidspunkt. Fordi dysen skyver inn i glassperlepulveret, kan forskerne ikke se det smeltede aluminiumet når det avsettes, så de trengte en måte å simulere hva som skulle foregå på visse punkter i utskriftsprosessen, forklarer Tibbits. 3D-printede metallbolter Forskerne kan justere matehastigheten til den flytende metall-trykkprosessen slik at mer eller mindre materiale avsettes når dysen beveger seg, noe som endrer formen på den trykte gjenstanden. (Bilde: MIT Self-Assembly Lab) De brukte LMP for raskt å produsere aluminiumsrammer med variable tykkelser, som var holdbare nok til å tåle maskineringsprosesser som fresing og boring. De demonstrerte en kombinasjon av LMP og disse etterbehandlingsteknikkene for å lage stoler og et bord sammensatt av lavoppløselige, raskt trykte aluminiumsdeler og andre komponenter, som trestykker. Fremover ønsker forskerne å fortsette å iterere på maskinen slik at de kan muliggjøre konsekvent oppvarming i dysen for å forhindre at materiale fester seg, og også oppnå bedre kontroll over strømmen av smeltet materiale. Men større dysediametre kan føre til uregelmessige utskrifter, så det er fortsatt tekniske utfordringer å overvinne. "Hvis vi kunne gjøre denne maskinen til noe som folk faktisk kunne bruke til å smelte ned resirkulert aluminium og skrive ut deler, ville det være en endring i metallproduksjon. Akkurat nå er det ikke pålitelig nok til å gjøre det, men det er målet, sier Tibbits. "Hos Emeco kommer vi fra en verden av veldig analog produksjon, så å se flytende metalltrykk skape nyanserte geometrier med potensiale for fullstendige strukturelle deler var virkelig overbevisende," sier Jaye Buchbinder, som leder forretningsutvikling for møbelselskapet Emeco og var ikke involvert i dette arbeidet. "Den flytende metallutskriften går virkelig på linje med hensyn til evnen til å produsere metalldeler i tilpassede geometrier, samtidig som den opprettholder rask behandlingstid som du vanligvis ikke får i andre trykk- eller formingsteknologier. Det er definitivt potensiale for teknologien til å revolusjonere måten metallutskrift og metallforming håndteres på i dag.»

Tidstempel:

Mer fra Nanowerk