Дослідники демонструють швидкий 3D-друк рідким металом (з відео)

Дослідники демонструють швидкий 3D-друк рідким металом (з відео)

Мітка часу: 26 січня 2024 р. 4:08
Вихідний вузол: 3085676
26 січня 2024 р (Новини Nanowerk) Дослідники Массачусетського технологічного інституту розробили технологію адитивного виробництва, яка дозволяє швидко друкувати рідким металом, виробляючи великомасштабні деталі, як-от ніжки столу та каркаси стільців, за лічені хвилини. Їхня технологія, яка називається рідким металевим друком (LMP), передбачає осадження розплавленого алюмінію вздовж попередньо визначеної траєкторії в шар крихітних скляних кульок. Алюміній швидко твердне в 3D структуру.

[Вбудоване вміст]

Дослідники кажуть, що LMP є принаймні в 10 разів швидшим, ніж аналогічний процес виробництва металевих добавок, а процедура нагрівання та плавлення металу є ефективнішою, ніж деякі інші методи. Ця техніка жертвує роздільною здатністю заради швидкості та масштабу. Хоча він може друкувати компоненти, більші за ті, які зазвичай виготовляються з повільнішими адитивними методами, і за нижчою ціною, він не може досягти високої роздільної здатності. Наприклад, деталі, виготовлені з LMP, підійдуть для деяких застосувань в архітектурі, будівництві та промисловому дизайні, де компоненти більших конструкцій часто не вимагають надзвичайно тонких деталей. Його також можна ефективно використовувати для швидкого створення прототипів із переробленого або металобрухту. У недавньому дослідженні дослідники продемонстрували цю процедуру, надрукувавши алюмінієві рами та деталі для столів і стільців, які були достатньо міцними, щоб витримати післядрукарську обробку. Вони показали, як компоненти, виготовлені за допомогою LMP, можна поєднати з процесами високої роздільної здатності та додатковими матеріалами для створення функціональних меблів. «Це зовсім інший напрямок у тому, як ми думаємо про виробництво металу, яке має величезні переваги. У нього є й мінуси. Але більша частина нашого побудованого світу — речі навколо нас, як-от столи, стільці та будівлі — не потребують надзвичайно високої роздільної здатності. Швидкість і масштаб, а також повторюваність і енергоспоживання є важливими показниками», — говорить Скайлар Тіббітс, доцент кафедри архітектури та співдиректор лабораторії самостійного складання, який є старшим автором статті про LMP («Друк на рідкому металі»; PDF). До Тіббітса приєднується провідний автор Зайн Карсан SM '23, який зараз є докторантом ETH Zurich; а також Кімбол Кайзер SM '22 і Джаред Лаукс, науковий співробітник і співдиректор лабораторії. Дослідження було представлено на конференції Асоціації автоматизованого проектування в архітектурі та нещодавно опубліковано в матеріалах асоціації. Процес друку рідким металом передбачає осадження розплавленого алюмінію вздовж попередньо визначеної траєкторії в шар крихітних скляних кульок. Процес друку рідким металом передбачає осадження розплавленого алюмінію вздовж попередньо визначеної траєкторії в шар крихітних скляних кульок, як показано тут. (Зображення: MIT Self-Assembly Lab)

Значне прискорення

Один із методів друку з використанням металів, поширених у будівництві та архітектурі, називається дуговим адитивним виробництвом (WAAM), здатний створювати великі структури з низькою роздільною здатністю, але вони можуть бути чутливими до розтріскування та деформації, оскільки деякі частини потрібно переплавляти під час процес друку. З іншого боку, LMP підтримує розплавлений матеріал протягом усього процесу, уникаючи деяких структурних проблем, спричинених переплавленням. Спираючись на попередню роботу групи щодо швидкого рідкого друку гумою, дослідники створили машину, яка плавить алюміній, утримує розплавлений метал і подає його через сопло на високій швидкості. Великі деталі можна надрукувати всього за кілька секунд, а потім розплавлений алюміній остигає за кілька хвилин. «Швидкість нашого процесу дійсно висока, але її також дуже важко контролювати. Це більш-менш схоже на відкриття крана. У вас є великий об’єм матеріалу для розплавлення, що займає деякий час, але як тільки ви розплавите його, це все одно, що відкрити кран. Це дозволяє нам дуже швидко друкувати ці геометрії», — пояснює Карсан. Команда обрала алюміній, оскільки він широко використовується в будівництві та може бути дешево та ефективно перероблений. Алюмінієві шматки розміром із буханець хліба поміщають в електричну піч, «яка в основному схожа на збільшений тостер», додає Карсан. Металеві змійовики всередині печі нагрівають метал до 700 градусів за Цельсієм, трохи вище температури плавлення алюмінію в 660 градусів. Алюміній утримується при високій температурі в графітовому тиглі, а потім розплавлений матеріал гравітаційно подається через керамічне сопло в друкарський шар по заданій траєкторії. Вони виявили, що чим більшу кількість алюмінію вони можуть розплавити, тим швидше може працювати принтер. «Розплавлений алюміній знищить майже все на своєму шляху. Ми почали з насадок з нержавіючої сталі, а потім перейшли до титанових, перш ніж закінчити керамічними. Але навіть керамічні форсунки можуть забиватися, оскільки нагрів кінчика форсунки не завжди повністю рівномірний», — каже Карсан. Вводячи розплавлений матеріал безпосередньо в гранульовану речовину, дослідникам не потрібно друкувати опори, щоб утримувати алюмінієву структуру, коли вона приймає форму. металева спіраль Процес LMP може дозволити друк складних геометричних форм, як-от спіраль, показану тут. (Зображення: MIT Self-Assembly Lab)

Удосконалення процесу

Перш ніж вибрати 100-мікронні скляні кульки, вони експериментували з низкою матеріалів для заповнення друкарського шару, включаючи графітовий порошок і сіль. Крихітні скляні кульки, які можуть витримувати надзвичайно високу температуру розплавленого алюмінію, діють як нейтральна суспензія, тому метал може швидко охолонути. «Скляні намистини настільки тонкі, що вони відчуваються як шовк у руці. Порошок настільки малий, що насправді не змінює характеристики поверхні надрукованого об’єкта», – каже Тіббітс. Кількість розплавленого матеріалу, що утримується в тиглі, глибина друкарського шару, розмір і форма сопла найбільше впливають на геометрію кінцевого об’єкта. Наприклад, частини об’єкта з більшим діаметром друкуються першими, оскільки кількість алюмінію, яке виділяє сопло, зменшується, коли тигель спорожняється. Зміна глибини сопла змінює товщину металевої конструкції. Щоб допомогти в процесі LMP, дослідники розробили числову модель для оцінки кількості матеріалу, який буде нанесено на друкарський шар у певний час. Оскільки сопло вдавлюється в порошок скляних кульок, дослідники не можуть спостерігати за розплавленим алюмінієм під час його осідання, тому їм потрібен був спосіб імітації того, що має відбуватися в певні моменти процесу друку, пояснює Тіббітс. 3D-друковані металеві болти Дослідники можуть регулювати швидкість подачі в процесі друку рідким металом, щоб більше або менше матеріалу осідало під час руху сопла, змінюючи форму надрукованого об’єкта. (Зображення: MIT Self-Assembly Lab) Вони використовували LMP для швидкого виробництва алюмінієвих рам різної товщини, які були достатньо міцними, щоб витримувати такі процеси обробки, як фрезерування та розточування. Вони продемонстрували комбінацію LMP і цих методів пост-обробки для виготовлення стільців і столу, що складаються з алюмінієвих деталей із низькою роздільною здатністю, які швидко друкуються, та інших компонентів, як-от дерев’яні шматки. Рухаючись вперед, дослідники хочуть продовжувати ітерації на машині, щоб забезпечити послідовне нагрівання в соплі, щоб запобігти прилипанню матеріалу, а також досягти кращого контролю над потоком розплавленого матеріалу. Але більші діаметри сопел можуть призвести до нерівномірних відбитків, тому все ще є технічні проблеми, які потрібно подолати. «Якби ми змогли зробити цю машину чимось, за допомогою чого люди могли б справді розплавляти перероблений алюміній і друкувати деталі, це змінило б гру у виробництві металу. Наразі це недостатньо надійно, але це мета», — каже Тіббітс. «У Emeco ми походимо зі світу дуже аналогового виробництва, тому побачити друк на рідкому металі, що створює нюанси геометрії з потенціалом для повністю структурних деталей, було справді переконливо», — каже Джей Бухбіндер, який очолює бізнес-розробку меблевої компанії Emeco та був не причетний до цієї роботи. «Друк на рідкому металі справді йде по лінії з точки зору можливості виготовляти металеві деталі з нестандартними геометріями, зберігаючи при цьому швидку роботу, яку зазвичай не досягають інші технології друку чи формування. Безсумнівно, існує потенціал для технології, щоб революціонізувати спосіб друку металу та формування металу на даний момент».

Часова мітка:

Більше від Нановерк