นักวิจัยสาธิตการพิมพ์ 3 มิติอย่างรวดเร็วด้วยโลหะเหลว (พร้อมวิดีโอ)

นักวิจัยสาธิตการพิมพ์ 3 มิติอย่างรวดเร็วด้วยโลหะเหลว (พร้อมวิดีโอ)

ประทับเวลา: 26 มกราคม 2024 4:08 น
โหนดต้นทาง: 3085676
26 มกราคม 2024 (ข่าวนาโนเวิร์ค) นักวิจัยของ MIT ได้พัฒนาเทคนิคการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุที่สามารถพิมพ์ได้อย่างรวดเร็วด้วยโลหะเหลว ทำให้เกิดชิ้นส่วนขนาดใหญ่ เช่น ขาโต๊ะและโครงเก้าอี้ได้ในเวลาไม่กี่นาที เทคนิคของพวกเขาเรียกว่าการพิมพ์โลหะเหลว (LMP) เกี่ยวข้องกับการฝากอลูมิเนียมหลอมเหลวตามเส้นทางที่กำหนดไว้ล่วงหน้าลงในเตียงลูกแก้วขนาดเล็ก อะลูมิเนียมจะแข็งตัวอย่างรวดเร็วเป็นโครงสร้าง 3 มิติ

[เนื้อหาฝัง]

นักวิจัยกล่าวว่า LMP เร็วกว่ากระบวนการผลิตสารเติมแต่งโลหะที่เทียบเคียงได้อย่างน้อย 10 เท่า และขั้นตอนการให้ความร้อนและละลายโลหะก็มีประสิทธิภาพมากกว่าวิธีอื่นๆ เทคนิคนี้ยอมเสียสละความละเอียดเพื่อความเร็วและขนาด แม้ว่าจะสามารถพิมพ์ส่วนประกอบที่มีขนาดใหญ่กว่าชิ้นส่วนที่มักทำด้วยเทคนิคการเติมแต่งที่ช้ากว่า และมีต้นทุนที่ต่ำกว่า แต่ก็ไม่สามารถบรรลุความละเอียดสูงได้ ตัวอย่างเช่น ชิ้นส่วนที่ผลิตด้วย LMP จะเหมาะสมกับการใช้งานบางอย่างในด้านสถาปัตยกรรม การก่อสร้าง และการออกแบบทางอุตสาหกรรม ซึ่งส่วนประกอบของโครงสร้างขนาดใหญ่มักไม่ต้องการรายละเอียดที่ละเอียดมากนัก นอกจากนี้ยังสามารถนำมาใช้อย่างมีประสิทธิภาพสำหรับการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วด้วยวัสดุรีไซเคิลหรือเศษโลหะ ในการศึกษาเมื่อเร็วๆ นี้ นักวิจัยได้สาธิตขั้นตอนโดยการพิมพ์เฟรมอะลูมิเนียมและชิ้นส่วนสำหรับโต๊ะและเก้าอี้ซึ่งมีความแข็งแรงพอที่จะทนทานต่อการตัดเฉือนภายหลัง พวกเขาแสดงให้เห็นว่าส่วนประกอบที่ทำด้วย LMP สามารถนำมารวมกับกระบวนการที่มีความละเอียดสูงและวัสดุเพิ่มเติมเพื่อสร้างเฟอร์นิเจอร์ที่ใช้งานได้จริงได้อย่างไร “นี่เป็นทิศทางที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิงในวิธีที่เราคิดเกี่ยวกับการผลิตโลหะซึ่งมีข้อได้เปรียบอย่างมาก มันมีข้อเสียเช่นกัน แต่โลกที่เราสร้างขึ้นส่วนใหญ่ — สิ่งต่างๆ รอบตัวเรา เช่น โต๊ะ เก้าอี้ และอาคาร — ไม่ต้องการความละเอียดสูงมากนัก ความเร็วและขนาด ตลอดจนความสามารถในการทำซ้ำและการใช้พลังงานล้วนเป็นตัวชี้วัดที่สำคัญ” Skylar Tibbits รองศาสตราจารย์ในภาควิชาสถาปัตยกรรมศาสตร์และผู้อำนวยการร่วมของ Self-Assembly Lab ซึ่งเป็นผู้เขียนอาวุโสของรายงานแนะนำ LMP (“การพิมพ์โลหะเหลว”; ไฟล์ PDF). Tibbits เข้าร่วมในบทความนี้โดยผู้เขียนนำ Zain Karsan SM '23 ซึ่งปัจจุบันเป็นนักศึกษาปริญญาเอกที่ ETH Zurich; เช่นเดียวกับ Kimball Kaiser SM '22 และ Jared Laucks นักวิทยาศาสตร์การวิจัยและผู้อำนวยการร่วมห้องปฏิบัติการ งานวิจัยนี้ถูกนำเสนอในการประชุมสมาคมการออกแบบโดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วยในงานสถาปัตยกรรม และเผยแพร่เมื่อเร็วๆ นี้ในการดำเนินคดีของสมาคม กระบวนการพิมพ์โลหะเหลวเกี่ยวข้องกับการฝากอลูมิเนียมหลอมเหลวตามเส้นทางที่กำหนดไว้ล่วงหน้าลงในเตียงที่มีลูกปัดแก้วขนาดเล็ก กระบวนการพิมพ์โลหะเหลวเกี่ยวข้องกับการฝากอะลูมิเนียมหลอมเหลวตามเส้นทางที่กำหนดไว้ล่วงหน้าลงในถาดลูกแก้วขนาดเล็ก ดังที่เห็นที่นี่ (ภาพ: ห้องปฏิบัติการประกอบตนเองของ MIT)

การเร่งความเร็วอย่างมีนัยสำคัญ

วิธีการหนึ่งในการพิมพ์ด้วยโลหะที่พบได้ทั่วไปในการก่อสร้างและสถาปัตยกรรม เรียกว่าการผลิตสารเติมแต่งอาร์คลวด (WAAM) สามารถสร้างโครงสร้างขนาดใหญ่ที่มีความละเอียดต่ำได้ แต่สิ่งเหล่านี้อาจเสี่ยงต่อการแตกร้าวและบิดเบี้ยวได้ เนื่องจากบางส่วนจะต้องถูกหลอมใหม่ในระหว่างการพิมพ์ กระบวนการพิมพ์ ในทางกลับกัน LMP ช่วยให้วัสดุหลอมเหลวตลอดกระบวนการ หลีกเลี่ยงปัญหาเชิงโครงสร้างบางประการที่เกิดจากการหลอมซ้ำ จากงานก่อนหน้านี้ของกลุ่มเกี่ยวกับการพิมพ์ของเหลวอย่างรวดเร็วด้วยยาง นักวิจัยได้สร้างเครื่องจักรที่ละลายอะลูมิเนียม จับโลหะที่หลอมเหลว และสะสมผ่านหัวฉีดด้วยความเร็วสูง สามารถพิมพ์ชิ้นส่วนขนาดใหญ่ได้ภายในเวลาเพียงไม่กี่วินาที จากนั้นอะลูมิเนียมหลอมเหลวจะเย็นตัวลงในเวลาหลายนาที “อัตรากระบวนการของเราสูงจริงๆ แต่ก็ควบคุมได้ยากมากเช่นกัน มันเหมือนกับการเปิด faucet ไม่มากก็น้อย คุณมีวัสดุจำนวนมากที่จะละลาย ซึ่งต้องใช้เวลาพอสมควร แต่เมื่อคุณละลายได้ มันก็เหมือนกับการเปิดก๊อกน้ำ นั่นทำให้เราสามารถพิมพ์รูปทรงเรขาคณิตเหล่านี้ได้อย่างรวดเร็ว” Karsan อธิบาย ทีมงานเลือกใช้อะลูมิเนียมเนื่องจากมักใช้ในการก่อสร้างและสามารถรีไซเคิลได้ในราคาถูกและมีประสิทธิภาพ อลูมิเนียมชิ้นขนาดเท่าก้อนขนมปังจะถูกนำไปฝากไว้ในเตาไฟฟ้า "ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วก็เหมือนกับเครื่องปิ้งขนมปังที่ขยายขนาด" Karsan กล่าวเสริม ขดลวดโลหะภายในเตาให้ความร้อนแก่โลหะถึง 700 องศาเซลเซียส ซึ่งสูงกว่าจุดหลอมเหลว 660 องศาของอะลูมิเนียมเล็กน้อย อลูมิเนียมจะถูกเก็บไว้ที่อุณหภูมิสูงในเบ้าหลอมกราไฟท์ จากนั้นวัสดุที่หลอมละลายจะถูกป้อนด้วยแรงโน้มถ่วงผ่านหัวฉีดเซรามิกเข้าไปในฐานพิมพ์ตามเส้นทางที่กำหนดไว้ล่วงหน้า พวกเขาพบว่ายิ่งอะลูมิเนียมละลายได้ในปริมาณมากเท่าไร เครื่องพิมพ์ก็จะทำงานได้เร็วขึ้นเท่านั้น “อะลูมิเนียมหลอมละลายจะทำลายทุกสิ่งที่ขวางหน้า เราเริ่มต้นด้วยหัวฉีดสแตนเลส จากนั้นจึงย้ายไปที่ไทเทเนียมก่อนที่จะลงเอยด้วยเซรามิก แต่แม้แต่หัวฉีดเซรามิกก็ยังอาจเกิดการอุดตันได้เนื่องจากความร้อนที่ปลายหัวฉีดไม่ได้สม่ำเสมอเสมอไป” Karsan กล่าว ด้วยการฉีดวัสดุที่หลอมละลายลงในสารที่เป็นเม็ดโดยตรง นักวิจัยไม่จำเป็นต้องพิมพ์ส่วนรองรับเพื่อยึดโครงสร้างอลูมิเนียมในขณะที่รูปร่างเป็นรูปเป็นร่าง เกลียวโลหะ กระบวนการ LMP ช่วยให้สามารถพิมพ์รูปทรงที่ซับซ้อนได้ เช่น เกลียวที่เห็นนี้ (ภาพ: ห้องปฏิบัติการประกอบตนเองของ MIT)

ทำให้กระบวนการสมบูรณ์แบบ

พวกเขาทดลองวัสดุหลายชนิดเพื่อเติมลงในฐานพิมพ์ รวมถึงผงกราไฟท์และเกลือ ก่อนที่จะเลือกเม็ดแก้วขนาด 100 ไมครอน เม็ดแก้วเล็กๆ ซึ่งสามารถทนต่ออุณหภูมิที่สูงมากของอลูมิเนียมหลอมเหลว ทำหน้าที่เป็นสารแขวนลอยที่เป็นกลาง เพื่อให้โลหะเย็นตัวลงอย่างรวดเร็ว “ลูกปัดแก้วนั้นละเอียดมากจนรู้สึกเหมือนเป็นผ้าไหมอยู่ในมือของคุณ ผงมีขนาดเล็กมากจนไม่สามารถเปลี่ยนลักษณะพื้นผิวของวัตถุที่พิมพ์ได้จริงๆ” Tibbits กล่าว ปริมาณของวัสดุหลอมเหลวที่อยู่ในเบ้าหลอม ความลึกของฐานพิมพ์ และขนาดและรูปร่างของหัวฉีดมีผลกระทบที่ใหญ่ที่สุดต่อรูปทรงของวัตถุขั้นสุดท้าย ตัวอย่างเช่น ชิ้นส่วนของวัตถุที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่กว่าจะถูกพิมพ์ก่อน เนื่องจากปริมาณอะลูมิเนียมที่หัวฉีดจะค่อยๆ ลดลงเมื่อถ้วยใส่ตัวอย่างว่างเปล่า การเปลี่ยนความลึกของหัวฉีดจะเปลี่ยนความหนาของโครงสร้างโลหะ เพื่อช่วยในกระบวนการ LMP นักวิจัยได้พัฒนาแบบจำลองเชิงตัวเลขเพื่อประมาณปริมาณวัสดุที่จะฝากลงในเตียงพิมพ์ในเวลาที่กำหนด เนื่องจากหัวฉีดดันเข้าไปในผงลูกปัดแก้ว นักวิจัยจึงไม่สามารถดูอะลูมิเนียมหลอมเหลวในขณะที่มันสะสมอยู่ได้ ดังนั้น พวกเขาจึงจำเป็นต้องมีวิธีจำลองสิ่งที่เกิดขึ้นที่จุดใดจุดหนึ่งของกระบวนการพิมพ์ Tibbits อธิบาย สลักเกลียวโลหะที่พิมพ์แบบ 3 มิติ นักวิจัยสามารถปรับอัตราการป้อนของกระบวนการพิมพ์โลหะเหลวเพื่อให้วัสดุสะสมมากขึ้นหรือน้อยลงในขณะที่หัวฉีดเคลื่อนที่ ซึ่งจะเปลี่ยนรูปร่างของวัตถุที่พิมพ์ (ภาพ: ห้องปฏิบัติการประกอบเองของ MIT) พวกเขาใช้ LMP ในการผลิตเฟรมอะลูมิเนียมที่มีความหนาหลากหลายได้อย่างรวดเร็ว ซึ่งมีความทนทานเพียงพอที่จะทนต่อกระบวนการตัดเฉือน เช่น การกัดและการคว้าน พวกเขาสาธิตการผสมผสานระหว่าง LMP และเทคนิคหลังการประมวลผลเพื่อสร้างเก้าอี้และโต๊ะที่ประกอบด้วยชิ้นส่วนอะลูมิเนียมที่มีความละเอียดต่ำ พิมพ์อย่างรวดเร็วและส่วนประกอบอื่นๆ เช่น ชิ้นไม้ ในอนาคตข้างหน้า นักวิจัยต้องการทำซ้ำบนเครื่องเพื่อให้พวกเขาสามารถให้ความร้อนสม่ำเสมอในหัวฉีดเพื่อป้องกันไม่ให้วัสดุเกาะติด และยังสามารถควบคุมการไหลของวัสดุหลอมเหลวได้ดีขึ้น แต่เส้นผ่านศูนย์กลางของหัวฉีดที่ใหญ่ขึ้นอาจทำให้งานพิมพ์ไม่สม่ำเสมอได้ ดังนั้นจึงยังคงมีความท้าทายทางเทคนิคที่ต้องเอาชนะ “ถ้าเราสามารถสร้างเครื่องจักรนี้ขึ้นมาซึ่งผู้คนสามารถใช้เพื่อละลายอลูมิเนียมรีไซเคิลและชิ้นส่วนการพิมพ์ได้จริง นั่นจะเป็นตัวเปลี่ยนเกมในการผลิตโลหะ ขณะนี้ยังไม่น่าเชื่อถือพอที่จะทำเช่นนั้น แต่นั่นคือเป้าหมาย” Tibbits กล่าว “ที่ Emeco เรามาจากโลกแห่งการผลิตแบบอะนาล็อก ดังนั้นการได้เห็นการพิมพ์โลหะเหลวที่สร้างรูปทรงเรขาคณิตที่เหมาะสมพร้อมศักยภาพสำหรับชิ้นส่วนที่มีโครงสร้างทั้งหมดจึงเป็นเรื่องที่น่าสนใจจริงๆ” Jaye Buchbinder ซึ่งเป็นผู้นำการพัฒนาธุรกิจสำหรับบริษัทเฟอร์นิเจอร์ Emeco กล่าวและเคยเป็น ไม่เกี่ยวข้องกับงานนี้ “การพิมพ์โลหะเหลวนั้นก้าวล้ำหน้าในแง่ของความสามารถในการผลิตชิ้นส่วนโลหะในรูปทรงที่กำหนดเอง ในขณะเดียวกันก็รักษาการตอบสนองที่รวดเร็วซึ่งปกติแล้วคุณจะไม่ได้รับในเทคโนโลยีการพิมพ์หรือการขึ้นรูปอื่นๆ มีศักยภาพอย่างแน่นอนที่เทคโนโลยีนี้จะปฏิวัติวิธีการจัดการการพิมพ์โลหะและการขึ้นรูปโลหะในปัจจุบัน”

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก นาโนเวิร์ค