Cercetătorii demonstrează imprimarea 3D rapidă cu metal lichid (cu video)

Cercetătorii demonstrează imprimarea 3D rapidă cu metal lichid (cu video)

Marca temporală: 26 ianuarie 2024 4:08
Nodul sursă: 3085676
26 ianuarie 2024 (Știri Nanowerk) Cercetătorii MIT au dezvoltat o tehnică de fabricație aditivă care poate imprima rapid cu metal lichid, producând piese la scară mare, cum ar fi picioarele mesei și cadrele scaunelor, în câteva minute. Tehnica lor, numită imprimare pe metal lichid (LMP), implică depunerea aluminiului topit de-a lungul unui traseu predefinit într-un pat de mărgele mici de sticlă. Aluminiul se întărește rapid într-o structură 3D.

[Conținutul încorporat]

Cercetătorii spun că LMP este de cel puțin 10 ori mai rapid decât un proces comparabil de fabricare a aditivilor metalici, iar procedura de încălzire și topire a metalului este mai eficientă decât alte metode. Tehnica sacrifică rezoluția pentru viteză și scară. Deși poate imprima componente care sunt mai mari decât cele realizate în mod obișnuit cu tehnici aditive mai lente și la un cost mai mic, nu poate obține rezoluții mari. De exemplu, piesele produse cu LMP ar fi potrivite pentru unele aplicații în arhitectură, construcții și design industrial, unde componentele structurilor mai mari adesea nu necesită detalii extrem de fine. De asemenea, ar putea fi utilizat eficient pentru prototiparea rapidă cu metal reciclat sau fier vechi. Într-un studiu recent, cercetătorii au demonstrat procedura prin imprimarea cadrelor și pieselor din aluminiu pentru mese și scaune, care erau suficient de puternice pentru a rezista la prelucrarea postprint. Ei au arătat cum componentele realizate cu LMP pot fi combinate cu procese de înaltă rezoluție și materiale suplimentare pentru a crea mobilier funcțional. „Aceasta este o direcție complet diferită în modul în care ne gândim la fabricarea metalelor, care are câteva avantaje uriașe. Are și dezavantaje. Dar cea mai mare parte din lumea noastră construită - lucrurile din jurul nostru, cum ar fi mesele, scaunele și clădirile - nu are nevoie de o rezoluție extrem de înaltă. Viteza și amploarea, precum și repetabilitatea și consumul de energie, sunt toate valorile importante”, spune Skylar Tibbits, profesor asociat la Departamentul de Arhitectură și co-director al Laboratorului de auto-asamblare, care este autorul principal al unei lucrări care prezintă LMP („Imprimare cu metal lichid”; PDF). Tibbits este alăturat lucrării de autorul principal Zain Karsan SM '23, care acum este doctorand la ETH Zurich; precum și Kimball Kaiser SM '22 și Jared Laucks, cercetător și co-director de laborator. Cercetarea a fost prezentată la Conferința Asociației pentru Proiectarea Asistată de Calculator în Arhitectură și publicată recent în lucrările asociației. Procesul de imprimare cu metal lichid implică depunerea aluminiului topit de-a lungul unui traseu predefinit într-un pat de mărgele de sticlă minuscule. Procesul de imprimare cu metal lichid implică depunerea aluminiului topit de-a lungul unui traseu predefinit într-un pat de mărgele de sticlă minuscule, așa cum se vede aici. (Imagine: MIT Self-Assembly Lab)

Accelerare semnificativă

O metodă de imprimare cu metale care este obișnuită în construcții și arhitectură, numită fabricație aditivă cu arc de sârmă (WAAM), este capabilă să producă structuri mari, cu rezoluție scăzută, dar acestea pot fi susceptibile la crăpare și deformare deoarece unele porțiuni trebuie topite în timpul procesul de imprimare. LMP, pe de altă parte, menține materialul topit pe tot parcursul procesului, evitând unele dintre problemele structurale cauzate de retopire. Bazându-se pe lucrările anterioare ale grupului privind imprimarea lichidă rapidă cu cauciuc, cercetătorii au construit o mașină care topește aluminiul, ține metalul topit și îl depune printr-o duză la viteze mari. Piesele la scară mare pot fi imprimate în doar câteva secunde, iar apoi aluminiul topit se răcește în câteva minute. „Rata noastră de proces este foarte mare, dar este și foarte greu de controlat. Este mai mult sau mai puțin ca și cum ai deschide un robinet. Ai un volum mare de material de topit, ceea ce durează ceva timp, dar odată ce îl topești, este ca și cum ai deschide un robinet. Acest lucru ne permite să imprimăm aceste geometrii foarte rapid”, explică Karsan. Echipa a ales aluminiul pentru că este folosit în mod obișnuit în construcții și poate fi reciclat ieftin și eficient. Bucățile de aluminiu de mărimea unei pâine sunt depuse într-un cuptor electric, „care este practic ca un prăjitor de pâine la scară”, adaugă Karsan. Bobinele metalice din interiorul cuptorului încălzesc metalul la 700 de grade Celsius, puțin peste punctul de topire de 660 de grade al aluminiului. Aluminiul este menținut la o temperatură ridicată într-un creuzet de grafit, iar apoi materialul topit este alimentat prin gravitație printr-o duză ceramică într-un pat de imprimare de-a lungul unui traseu prestabilit. Ei au descoperit că, cu cât cantitatea de aluminiu pe care s-ar putea topi este mai mare, cu atât imprimanta poate merge mai repede. „Aluminiul topit va distruge aproape totul în cale. Am început cu duze din oțel inoxidabil și apoi am trecut la titan înainte de a ajunge la ceramică. Dar chiar și duzele din ceramică se pot înfunda, deoarece încălzirea nu este întotdeauna complet uniformă în vârful duzei”, spune Karsan. Prin injectarea materialului topit direct într-o substanță granulară, cercetătorii nu au nevoie să imprime suporturi pentru a ține structura de aluminiu pe măsură ce aceasta prinde formă. spirală metalică Procesul LMP poate permite imprimarea de geometrii complexe, cum ar fi spirala văzută aici. (Imagine: MIT Self-Assembly Lab)

Perfecționarea procesului

Ei au experimentat cu o serie de materiale pentru a umple patul de imprimare, inclusiv pulberi de grafit și sare, înainte de a selecta margele de sticlă de 100 de microni. Micile margele de sticlă, care pot rezista la temperatura extrem de ridicată a aluminiului topit, acționează ca o suspensie neutră, astfel încât metalul să se poată răci rapid. „Margele de sticlă sunt atât de fine încât se simt ca mătasea în mână. Pulberea este atât de mică încât nu schimbă cu adevărat caracteristicile suprafeței obiectului imprimat”, spune Tibbits. Cantitatea de material topit reținut în creuzet, adâncimea patului de imprimare și dimensiunea și forma duzei au cel mai mare impact asupra geometriei obiectului final. De exemplu, părțile obiectului cu diametre mai mari sunt imprimate mai întâi, deoarece cantitatea de aluminiu pe care o distribuie duza se micșorează pe măsură ce creuzetul se golește. Modificarea adâncimii duzei modifică grosimea structurii metalice. Pentru a ajuta procesul LMP, cercetătorii au dezvoltat un model numeric pentru a estima cantitatea de material care va fi depusă în patul de imprimare la un moment dat. Deoarece duza împinge pulberea de mărgele de sticlă, cercetătorii nu pot urmări aluminiul topit în timp ce se depune, așa că aveau nevoie de o modalitate de a simula ceea ce ar trebui să se întâmple în anumite puncte ale procesului de imprimare, explică Tibbits. Șuruburi metalice imprimate 3D Cercetătorii pot ajusta viteza de avans a procesului de imprimare cu metal lichid, astfel încât să se depună mai mult sau mai puțin material pe măsură ce duza se mișcă, schimbând forma obiectului imprimat. (Imagine: MIT Self-Assembly Lab) Au folosit LMP pentru a produce rapid rame din aluminiu cu grosimi variabile, care erau suficient de durabile pentru a rezista proceselor de prelucrare precum frezarea și alezarea. Ei au demonstrat o combinație de LMP și aceste tehnici de post-procesare pentru a face scaune și o masă compusă din piese din aluminiu cu rezoluție mai mică, imprimate rapid și alte componente, cum ar fi piesele din lemn. Mergând înainte, cercetătorii doresc să continue să repete pe mașină, astfel încât să poată permite încălzirea constantă a duzei pentru a preveni lipirea materialului și, de asemenea, să obțină un control mai bun asupra fluxului de material topit. Dar diametrele mai mari ale duzelor pot duce la imprimări neregulate, așa că mai sunt provocări tehnice de depășit. „Dacă am putea face din această mașină ceva pe care oamenii l-ar putea folosi pentru a topi aluminiul reciclat și a imprima piese, asta ar schimba jocul în fabricarea metalelor. Momentan, nu este suficient de fiabil pentru a face asta, dar acesta este scopul”, spune Tibbits. „La Emeco, venim din lumea producției foarte analogice, așa că am văzut că imprimarea metalelor lichide creând geometrii nuanțate cu potențial pentru piese complet structurale a fost cu adevărat convingătoare”, spune Jaye Buchbinder, care conduce dezvoltarea afacerilor pentru compania de mobilă Emeco și a fost nu este implicat în această lucrare. „Imprimarea metalelor lichide într-adevăr merge pe linie în ceea ce privește capacitatea de a produce piese metalice în geometrii personalizate, menținând în același timp o durată rapidă pe care nu o obțineți în mod normal în alte tehnologii de imprimare sau de formare. Există cu siguranță potențialul ca tehnologia să revoluționeze modul în care sunt gestionate în prezent imprimarea și formarea metalelor.”

Timestamp-ul:

Mai mult de la Nanowerk