Pesquisadores demonstram impressão 3D rápida com metal líquido (com vídeo)

Pesquisadores demonstram impressão 3D rápida com metal líquido (com vídeo)

Carimbo de hora: 26 de janeiro de 2024, 4h08
Nó Fonte: 3085676
26 de janeiro de 2024 (Notícias do Nanowerk) Pesquisadores do MIT desenvolveram uma técnica de fabricação aditiva que pode imprimir rapidamente com metal líquido, produzindo peças em grande escala, como pernas de mesas e estruturas de cadeiras, em questão de minutos. Sua técnica, chamada impressão em metal líquido (LMP), envolve a deposição de alumínio fundido ao longo de um caminho predefinido em um leito de minúsculas esferas de vidro. O alumínio endurece rapidamente em uma estrutura 3D.

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Os pesquisadores dizem que o LMP é pelo menos 10 vezes mais rápido do que um processo comparável de fabricação de aditivos metálicos, e o procedimento para aquecer e derreter o metal é mais eficiente do que alguns outros métodos. A técnica sacrifica a resolução em prol da velocidade e da escala. Embora possa imprimir componentes maiores do que aqueles normalmente feitos com técnicas de aditivos mais lentas e a um custo menor, não consegue atingir resoluções altas. Por exemplo, as peças produzidas com LMP seriam adequadas para algumas aplicações em arquitetura, construção e design industrial, onde componentes de estruturas maiores muitas vezes não requerem detalhes extremamente finos. Também poderia ser utilizado de forma eficaz para prototipagem rápida com metal reciclado ou sucata. Num estudo recente, os investigadores demonstraram o procedimento imprimindo molduras de alumínio e peças para mesas e cadeiras que eram suficientemente fortes para suportar a maquinação pós-impressão. Eles mostraram como os componentes feitos com LMP poderiam ser combinados com processos de alta resolução e materiais adicionais para criar móveis funcionais. “Esta é uma direção completamente diferente na forma como pensamos sobre a fabricação de metal, que apresenta enormes vantagens. Também tem desvantagens. Mas a maior parte do nosso mundo construído – as coisas ao nosso redor como mesas, cadeiras e edifícios – não precisa de resolução extremamente alta. Velocidade e escala, e também repetibilidade e consumo de energia, são métricas importantes”, diz Skylar Tibbits, professor associado do Departamento de Arquitetura e codiretor do Laboratório de Automontagem, autor sênior de um artigo que apresenta o LMP (“Impressão em Metal Líquido”; PDF). Tibbits é acompanhado no artigo pelo autor principal Zain Karsan SM '23, que agora é estudante de doutorado na ETH Zurique; bem como Kimball Kaiser SM '22 e Jared Laucks, cientista pesquisador e codiretor de laboratório. A pesquisa foi apresentada na Conferência da Association for Computer Aided Design in Architecture e recentemente publicada nos anais da associação. O processo de impressão em metal líquido envolve a deposição de alumínio fundido ao longo de um caminho predefinido em um leito de minúsculas esferas de vidro. O processo de impressão em metal líquido envolve a deposição de alumínio fundido ao longo de um caminho predefinido em um leito de minúsculas esferas de vidro, como visto aqui. (Imagem: Laboratório de automontagem do MIT)

Aceleração significativa

Um método de impressão com metais comum na construção e arquitetura, chamado manufatura aditiva por arco de arame (WAAM), é capaz de produzir estruturas grandes e de baixa resolução, mas podem ser suscetíveis a rachaduras e empenamentos porque algumas porções devem ser fundidas novamente durante o processo de impressão. O LMP, por outro lado, mantém o material fundido durante todo o processo, evitando alguns dos problemas estruturais causados ​​pela refusão. Com base no trabalho anterior do grupo sobre impressão líquida rápida com borracha, os pesquisadores construíram uma máquina que derrete alumínio, retém o metal fundido e o deposita através de um bico em alta velocidade. Peças em grande escala podem ser impressas em apenas alguns segundos e, em seguida, o alumínio fundido esfria em alguns minutos. “Nossa taxa de processo é muito alta, mas também é muito difícil de controlar. É mais ou menos como abrir uma torneira. Você tem um grande volume de material para derreter, o que leva algum tempo, mas depois de derreter é como abrir uma torneira. Isso nos permite imprimir essas geometrias muito rapidamente”, explica Karsan. A equipe escolheu o alumínio porque é comumente usado na construção e pode ser reciclado de forma barata e eficiente. Pedaços de alumínio do tamanho de um pão são depositados em um forno elétrico, “que é basicamente como uma torradeira ampliada”, acrescenta Karsan. Bobinas de metal dentro do forno aquecem o metal a 700 graus Celsius, um pouco acima do ponto de fusão de 660 graus do alumínio. O alumínio é mantido a alta temperatura em um cadinho de grafite e, em seguida, o material fundido é alimentado por gravidade através de um bico de cerâmica até uma base de impressão ao longo de um caminho predefinido. Eles descobriram que quanto maior a quantidade de alumínio que eles poderiam derreter, mais rápido a impressora poderia funcionar. “O alumínio fundido destruirá quase tudo em seu caminho. Começamos com bicos de aço inoxidável e depois passamos para o titânio antes de terminarmos com os de cerâmica. Mas mesmo os bicos de cerâmica podem entupir porque o aquecimento nem sempre é totalmente uniforme na ponta do bico”, diz Karsan. Ao injetar o material fundido diretamente em uma substância granular, os pesquisadores não precisam imprimir suportes para segurar a estrutura de alumínio à medida que ela toma forma. espiral metálica O processo LMP pode permitir a impressão de geometrias complexas, como a espiral vista aqui. (Imagem: Laboratório de automontagem do MIT)

Aperfeiçoando o processo

Eles experimentaram vários materiais para preencher a base de impressão, incluindo pós de grafite e sal, antes de selecionar contas de vidro de 100 mícrons. As minúsculas esferas de vidro, que podem suportar a temperatura extremamente alta do alumínio fundido, atuam como uma suspensão neutra para que o metal possa esfriar rapidamente. “As contas de vidro são tão finas que parecem seda na mão. O pó é tão pequeno que não altera realmente as características da superfície do objeto impresso”, diz Tibbits. A quantidade de material fundido retido no cadinho, a profundidade da base de impressão e o tamanho e formato do bico têm os maiores impactos na geometria do objeto final. Por exemplo, partes do objeto com diâmetros maiores são impressas primeiro, uma vez que a quantidade de alumínio que o bico distribui diminui à medida que o cadinho se esvazia. Alterar a profundidade do bico altera a espessura da estrutura metálica. Para auxiliar no processo LMP, os pesquisadores desenvolveram um modelo numérico para estimar a quantidade de material que será depositado na mesa de impressão em um determinado momento. Como o bico empurra o pó de vidro, os pesquisadores não conseguem observar o alumínio fundido conforme ele é depositado, então eles precisavam de uma maneira de simular o que deveria estar acontecendo em determinados pontos do processo de impressão, explica Tibbits. Parafusos de metal impressos em 3D Os pesquisadores podem ajustar a taxa de alimentação do processo de impressão de metal líquido para que mais ou menos material seja depositado à medida que o bico se move, alterando o formato do objeto impresso. (Imagem: MIT Self-Assembly Lab) Eles usaram o LMP para produzir rapidamente estruturas de alumínio com espessuras variáveis, que eram duráveis ​​o suficiente para suportar processos de usinagem como fresamento e mandrilamento. Eles demonstraram uma combinação de LMP e essas técnicas de pós-processamento para fazer cadeiras e uma mesa composta de peças de alumínio e outros componentes de impressão rápida e de baixa resolução, como peças de madeira. Seguindo em frente, os pesquisadores querem continuar iterando na máquina para que possam permitir um aquecimento consistente no bico para evitar que o material grude e também obter melhor controle sobre o fluxo do material fundido. Mas diâmetros de bicos maiores podem originar impressões irregulares, pelo que ainda existem desafios técnicos a superar. “Se pudéssemos tornar esta máquina algo que as pessoas pudessem realmente usar para derreter alumínio reciclado e imprimir peças, isso mudaria o jogo na fabricação de metal. No momento, não é confiável o suficiente para fazer isso, mas esse é o objetivo”, diz Tibbits. “Na Emeco, viemos do mundo da fabricação muito analógica, portanto, ver a impressão de metal líquido criando geometrias diferenciadas com potencial para peças totalmente estruturais foi realmente atraente”, diz Jaye Buchbinder, que lidera o desenvolvimento de negócios da empresa de móveis Emeco e foi não envolvido com este trabalho. “A impressão em metal líquido realmente segue os limites em termos de capacidade de produzir peças metálicas em geometrias personalizadas, mantendo ao mesmo tempo um retorno rápido que você normalmente não consegue em outras tecnologias de impressão ou conformação. Definitivamente, há potencial para a tecnologia revolucionar a maneira como a impressão e a conformação de metais são tratadas atualmente.”

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