Исследователи демонстрируют быструю 3D-печать жидким металлом (с видео)

Исследователи демонстрируют быструю 3D-печать жидким металлом (с видео)

Отметка времени: 26 января 2024 г., 4:08
Исходный узел: 3085676
26 января 2024 г. (Новости Наноуэрк) Исследователи Массачусетского технологического института разработали технологию аддитивного производства, которая позволяет быстро печатать жидким металлом, производя крупномасштабные детали, такие как ножки столов и каркасы стульев, за считанные минуты. Их технология, называемая печатью жидким металлом (LMP), предполагает нанесение расплавленного алюминия по заданному пути в слой крошечных стеклянных шариков. Алюминий быстро затвердевает и приобретает трехмерную структуру.

[Встраиваемое содержимое]

Исследователи говорят, что LMP как минимум в 10 раз быстрее, чем сопоставимый процесс аддитивного производства металлов, а процедура нагрева и плавления металла более эффективна, чем некоторые другие методы. Этот метод жертвует разрешением ради скорости и масштаба. Хотя он может печатать компоненты большего размера, чем те, которые обычно изготавливаются с использованием более медленных аддитивных технологий, и с меньшими затратами, он не может достичь высокого разрешения. Например, детали, изготовленные с помощью LMP, могут подойти для некоторых применений в архитектуре, строительстве и промышленном дизайне, где компоненты более крупных конструкций часто не требуют очень мелких деталей. Его также можно эффективно использовать для быстрого прототипирования с использованием переработанного металла или металлолома. В недавнем исследовании исследователи продемонстрировали эту процедуру, напечатав алюминиевые рамы и детали для столов и стульев, которые были достаточно прочными, чтобы выдержать послепечатную обработку. Они показали, как компоненты, изготовленные с помощью LMP, можно комбинировать с процессами высокого разрешения и дополнительными материалами для создания функциональной мебели. «Это совершенно другое направление в нашем представлении о производстве металлов, которое имеет огромные преимущества. У него есть и недостатки. Но большая часть нашего искусственного мира — вещи вокруг нас, такие как столы, стулья и здания — не требует чрезвычайно высокого разрешения. Скорость и масштаб, а также повторяемость и энергопотребление — все это важные показатели», — говорит Скайлар Тиббитс, доцент кафедры архитектуры и содиректор лаборатории самосборки, старший автор статьи, посвященной LMP («Печать жидким металлом»; PDF). К Тиббитсу в работе присоединился ведущий автор Зейн Карсан С.М. '23, который сейчас является аспирантом в ETH Zurich; а также Кимбалл Кайзер СМ '22 и Джаред Лаукс, ученый-исследователь и содиректор лаборатории. Исследование было представлено на конференции Ассоциации компьютерного проектирования в архитектуре и недавно опубликовано в материалах ассоциации. Процесс печати жидким металлом включает в себя нанесение расплавленного алюминия по заданному пути в слой крошечных стеклянных шариков. Процесс печати жидким металлом включает в себя нанесение расплавленного алюминия по заданному пути в слой крошечных стеклянных шариков, как показано здесь. (Изображение: Лаборатория самосборки Массачусетского технологического института)

Значительное ускорение

Один метод печати металлами, распространенный в строительстве и архитектуре, называемый аддитивным производством с проволочной дугой (WAAM), позволяет создавать большие структуры с низким разрешением, но они могут быть подвержены растрескиванию и деформации, поскольку некоторые части необходимо переплавлять во время печати. процесс печати. LMP, с другой стороны, сохраняет материал расплавленным на протяжении всего процесса, избегая некоторых структурных проблем, вызванных переплавкой. Опираясь на предыдущую работу группы по быстрой жидкостной печати резиной, исследователи построили машину, которая плавит алюминий, удерживает расплавленный металл и подает его через сопло на высоких скоростях. Крупномасштабные детали можно напечатать всего за несколько секунд, а затем расплавленный алюминий остывает за несколько минут. «Наша скорость процесса действительно высока, но ее очень сложно контролировать. Это более или менее похоже на открытие крана. Вам нужно расплавить большой объем материала, что занимает некоторое время, но как только вы его расплавите, это будет похоже на открытие крана. Это позволяет нам очень быстро печатать эти геометрии», — объясняет Карсан. Команда выбрала алюминий, потому что он широко используется в строительстве и может быть дешево и эффективно переработан. Кусочки алюминия размером с буханку хлеба помещаются в электрическую печь, «которая по сути похожа на увеличенный тостер», — добавляет Карсан. Металлические катушки внутри печи нагревают металл до 700 градусов по Цельсию, что немного выше температуры плавления алюминия в 660 градусов. Алюминий выдерживается при высокой температуре в графитовом тигле, а затем расплавленный материал самотеком подается через керамическое сопло в печатную платформу по заданному пути. Они обнаружили, что чем большее количество алюминия они смогут расплавить, тем быстрее сможет работать принтер. «Расплавленный алюминий уничтожает практически все на своем пути. Мы начали с сопла из нержавеющей стали, затем перешли на титан, прежде чем остановились на керамике. Но даже керамические сопла могут засориться, потому что нагрев кончика сопла не всегда полностью равномерен», — говорит Карсан. Впрыскивая расплавленный материал непосредственно в гранулированное вещество, исследователям не нужно печатать опоры, чтобы удерживать алюминиевую структуру, пока она принимает форму. металлическая спираль Процесс LMP позволяет печатать изделия сложной геометрии, например спираль, показанную здесь. (Изображение: Лаборатория самосборки Массачусетского технологического института)

Совершенствование процесса

Они экспериментировали с рядом материалов для заполнения печатного стола, включая графитовые порошки и соль, прежде чем выбрать стеклянные шарики размером 100 микрон. Крошечные стеклянные бусины, которые могут выдерживать чрезвычайно высокую температуру расплавленного алюминия, действуют как нейтральная суспензия, поэтому металл может быстро остыть. «Стеклянные бусины настолько тонкие, что в руке кажутся шелковыми. Порошок настолько мал, что фактически не меняет характеристики поверхности печатаемого объекта», — говорит Тиббитс. Количество расплавленного материала, находящегося в тигле, глубина печатного стола, а также размер и форма сопла оказывают наибольшее влияние на геометрию конечного объекта. Например, части объекта большего диаметра печатаются в первую очередь, поскольку количество алюминия, подаваемого соплом, уменьшается по мере опорожнения тигля. Изменение глубины насадки изменяет толщину металлической конструкции. Чтобы помочь в процессе LMP, исследователи разработали численную модель для оценки количества материала, который будет помещен в печатную платформу в определенный момент времени. Поскольку сопло вдавливается в порошок стеклянных шариков, исследователи не могут наблюдать за расплавленным алюминием во время его осаждения, поэтому им нужен был способ смоделировать то, что должно происходить в определенные моменты процесса печати, объясняет Тиббитс. Металлические болты, напечатанные на 3D-принтере Исследователи могут регулировать скорость подачи в процессе печати жидким металлом, чтобы при движении сопла наносилось больше или меньше материала, изменяя форму печатаемого объекта. (Изображение: Лаборатория самосборки Массачусетского технологического института) Они использовали LMP для быстрого производства алюминиевых рам различной толщины, которые были достаточно прочными, чтобы выдерживать такие процессы обработки, как фрезерование и расточка. Они продемонстрировали комбинацию LMP и этих методов постобработки для изготовления стульев и стола, состоящих из быстро напечатанных алюминиевых деталей с низким разрешением и других компонентов, таких как деревянные детали. В дальнейшем исследователи хотят продолжать совершенствовать машину, чтобы обеспечить постоянный нагрев сопла и предотвратить прилипание материала, а также добиться лучшего контроля над потоком расплавленного материала. Но сопла большего диаметра могут привести к неравномерности отпечатков, поэтому еще предстоит решить технические проблемы. «Если бы мы могли сделать эту машину чем-то, что люди могли бы использовать для плавления переработанного алюминия и печати деталей, это изменило бы правила игры в производстве металлов. Сейчас он недостаточно надежен для этого, но в этом и состоит цель», — говорит Тиббитс. «В Emeco мы пришли из мира аналогового производства, поэтому увидеть, как печать жидким металлом создает тончайшую геометрию с возможностью создания полностью структурных деталей, было действительно увлекательно», — говорит Джей Бухбиндер, который руководит развитием бизнеса мебельной компании Emeco и был не участвовал в этой работе. «Печать жидким металлом действительно превосходит все ожидания с точки зрения способности производить металлические детали нестандартной геометрии, сохраняя при этом быстрый цикл обработки, который обычно не достигается при использовании других технологий печати или формовки. У этой технологии определенно есть потенциал совершить революцию в способах печати и формовки металла в настоящее время».

Отметка времени:

Больше от нанотехнология