وبلاگ

محققان MIT یک تکنیک تولید افزودنی ایجاد کرده‌اند که می‌تواند به سرعت با فلز مایع چاپ کند و قطعات بزرگی مانند پایه‌های میز و قاب صندلی را در چند دقیقه تولید کند.

روش آنها که چاپ فلز مایع (LMP) نامیده می شود، شامل رسوب دادن آلومینیوم مذاب در طول مسیری از پیش تعیین شده در بستری از دانه های شیشه ای ریز است. آلومینیوم به سرعت به یک ساختار سه بعدی جامد می شود.

محققان می گویند LMP حداقل 10 برابر سریعتر از یک فرآیند تولید افزودنی فلزی قابل مقایسه است و روش گرم کردن و ذوب فلز کارآمدتر از روش های دیگر است.

این تکنیک وضوح را قربانی سرعت و مقیاس می کند. اگرچه می‌تواند اجزایی بزرگ‌تر از مواردی که معمولاً با تکنیک‌های افزودنی آهسته‌تر ساخته می‌شوند، و با هزینه کمتر چاپ کند، نمی‌تواند به وضوح بالا دست یابد.

به عنوان مثال، قطعات تولید شده با LMP برای برخی از کاربردها در معماری، ساخت و ساز و طراحی صنعتی مناسب هستند، جایی که اجزای سازه های بزرگتر اغلب به جزئیات بسیار دقیق نیاز ندارند. همچنین می تواند به طور موثر برای نمونه سازی سریع با فلزات بازیافتی یا ضایعات استفاده شود.

در مطالعه‌ای اخیر، محققان این روش را با چاپ قاب‌های آلومینیومی و قطعات میز و صندلی‌ها نشان دادند که به اندازه کافی قوی بودند که پس از چاپ در برابر ماشین‌کاری مقاومت کنند. آنها نشان دادند که چگونه اجزای ساخته شده با LMP را می توان با فرآیندهای با وضوح بالا و مواد مکمل برای ایجاد مبلمان کاربردی ترکیب کرد.

“این یک جهت کاملا متفاوت در طرز فکر ما در مورد تولید فلز است، که مزایای زیادی دارد. معایبی هم دارد. اما بیشتر دنیای ساخته شده ما – چیزهایی که در اطراف ما هستند مانند میز، صندلی و ساختمان ها – به وضوح بسیار بالایی نیاز ندارند. اسکایلار تیبیتس، دانشیار دپارتمان معماری و یکی از مدیران آزمایشگاه Self-Assembly، که نویسنده ارشد کاغذ ارائه LMP

Tibbits در مقاله توسط نویسنده اصلی Zain Karsan SM ’23 که اکنون یک محقق فوق دکتری در ETH Zurich است، همراه شده است. و همچنین Kimball Kaiser SM ’22 و Jared Laucks، دانشمند پژوهشی و مدیر آزمایشگاه. این تحقیق در کنفرانس انجمن طراحی به کمک کامپیوتر در معماری ارائه شد و اخیراً در مجموعه مقالات انجمن منتشر شده است.

شتاب قابل توجه

یکی از روش های چاپ فلز که در ساخت و ساز و معماری رایج است، به نام تولید افزودنی قوس سیمی (WAAM) می تواند سازه های بزرگ و با وضوح پایین تولید کند، اما ممکن است در معرض ترک خوردن و تاب برداشتن قرار گیرند، زیرا برخی از قطعات باید در طول کار ذوب شوند. فرآیند چاپ

از طرف دیگر، LMP مواد را در طول فرآیند مذاب نگه می دارد و از برخی مشکلات ساختاری ناشی از ذوب مجدد جلوگیری می کند.

بر اساس کار قبلی گروه در چاپ سریع پاک کن مایعمحققان ماشینی ساختند که آلومینیوم را ذوب می کند، فلز مذاب را نگه می دارد و آن را با سرعت بالا از طریق یک نازل رسوب می دهد. قطعات در مقیاس بزرگ را می توان تنها در چند ثانیه چاپ کرد و سپس آلومینیوم مذاب در چند دقیقه خنک می شود.

سرعت فرآیند ما واقعاً سریع است، اما کنترل آن نیز بسیار دشوار است. کم و بیش مثل باز کردن شیر آب است. شما حجم زیادی از مواد برای ذوب دارید که کمی طول می کشد، اما زمانی که آن را ذوب کنید، درست مانند باز کردن یک شیر آب است. کارسان توضیح می‌دهد که این به ما امکان می‌دهد این هندسه‌ها را خیلی سریع چاپ کنیم.

این تیم آلومینیوم را انتخاب کردند زیرا اغلب در ساخت و ساز استفاده می شود و می توان آن را ارزان و کارآمد بازیافت کرد.

کارسان می افزاید: قطعات آلومینیومی به اندازه نان در یک اجاق برقی قرار می گیرند، «که اساساً مانند یک توستر در مقیاس است». کویل های فلزی داخل کوره، فلز را تا 700 درجه سانتیگراد، درست بالاتر از نقطه ذوب آلومینیوم 660 درجه حرارت می دهند.

آلومینیوم در دمای بالا در یک بوته گرافیتی نگه داشته می شود و سپس مواد مذاب با نیروی گرانش از طریق یک نازل سرامیکی به بستر چاپ در طول مسیر از پیش تعیین شده وارد می شود. آنها دریافتند که هرچه آلومینیوم بیشتری ذوب شود، چاپگر سریعتر کار می کند.

«آلومینیوم مذاب تقریباً هر چیزی را در مسیر خود از بین می‌برد. ما با نازل های فولادی ضد زنگ شروع کردیم و سپس قبل از اتمام کار با سرامیک به سراغ تیتانیوم رفتیم. اما حتی نازل‌های سرامیکی نیز می‌توانند مسدود شوند زیرا گرمایش همیشه در نوک نازل کاملاً یکنواخت نیست.

با تزریق مستقیم مواد مذاب به یک ماده دانه‌ای، محققان نیازی به چاپ تکیه‌گاه‌هایی برای نگه داشتن ساختار آلومینیومی در زمانی که شکل می‌گیرد، ندارند.

بهبود فرایند

آنها قبل از قرار گرفتن بر روی مهره های شیشه ای 100 میکرونی، با تعدادی از مواد برای پر کردن بستر چاپ، از جمله پودر گرافیت و نمک، آزمایش کردند. دانه های شیشه ای کوچک، که می توانند دمای بسیار بالای آلومینیوم مذاب را تحمل کنند، به عنوان یک تعلیق خنثی عمل می کنند تا فلز به سرعت خنک شود.

مهره های شیشه ای آنقدر ظریف هستند که در دست شما مانند ابریشم است. گرد و غبار آنقدر کوچک است که در واقع ویژگی های سطح جسم چاپی را تغییر نمی دهد.»

مقدار مواد مذاب نگهداری شده در بوته، عمق بستر چاپ و اندازه و شکل نازل بیشترین تأثیر را بر هندسه جسم نهایی دارد.

به عنوان مثال، ابتدا قسمت هایی از جسم با قطر بزرگتر چاپ می شود زیرا با خالی شدن بوته، مقدار آلومینیومی که نازل بیرون می زند کاهش می یابد. تغییر عمق نازل باعث تغییر ضخامت سازه فلزی می شود.

برای کمک به فرآیند LMP، محققان یک مدل عددی برای تخمین مقدار موادی که در هر زمان روی تخت چاپ می‌گذارند، توسعه دادند.

Tibbits توضیح می‌دهد که از آنجایی که نازل پودر مهره‌های شیشه‌ای را فشار می‌دهد، محققان نمی‌توانند آلومینیوم مذاب را هنگام ته نشین شدن آن تماشا کنند، بنابراین به راهی برای شبیه‌سازی آنچه باید در نقاط خاصی از فرآیند چاپ بیفتد نیاز داشتند.

آن‌ها از LMP برای تولید سریع قاب‌های آلومینیومی با ضخامت متغیر استفاده کردند که به اندازه کافی بادوام بود تا در برابر فرآیندهای ماشینکاری مانند فرز و حفاری مقاومت کند. آن‌ها ترکیبی از LMP و این تکنیک‌های پس از پردازش را برای ساختن صندلی‌ها و میزی متشکل از قطعات آلومینیومی با وضوح پایین‌تر و اجزای دیگر، مانند قطعات چوبی، به نمایش گذاشتند.

با حرکت رو به جلو، محققان می‌خواهند به تکرار روی دستگاه ادامه دهند تا بتوانند حرارت ثابتی را در نازل ایجاد کنند تا از چسبیدن مواد جلوگیری کنند و همچنین کنترل بهتری بر جریان مواد مذاب داشته باشند. اما قطر نازل بزرگتر می تواند منجر به چاپ نامنظم شود، بنابراین هنوز چالش های فنی برای غلبه بر وجود دارد.

«اگر ما بتوانیم این دستگاه را چیزی بسازیم که مردم واقعاً بتوانند از آن برای ذوب آلومینیوم بازیافتی و چاپ قطعات استفاده کنند، یک تغییر بازی در ساخت فلز خواهد بود. در حال حاضر انجام این کار به اندازه کافی قابل اعتماد نیست، اما هدف این است.»

Jay Buchbinder، که توسعه تجارت شرکت مبلمان Emeco را رهبری می‌کند، می‌گوید: «در Emeco، ما از دنیای تولید بسیار آنالوگ آمده‌ایم، بنابراین دیدن چاپ فلز مایع ایجاد هندسه‌های ظریف با پتانسیل قطعات کاملاً ساختاری واقعاً شگفت‌انگیز بود. در این کار. «چاپ فلز مایع واقعاً از نظر توانایی تولید قطعات فلزی در هندسه‌های سفارشی و در عین حال چرخش سریعی که معمولاً با سایر فناوری‌های چاپ یا قالب‌گیری به دست نمی‌آورید، خط را طی می‌کند. این فناوری قطعاً این پتانسیل را دارد که روشی را که در حال حاضر چاپ فلز و شکل‌دهی فلز انجام می‌شود متحول کند.»

محققان دیگری که روی این پروژه کار کردند عبارتند از کیمبال کایزر، جرمی بیلوتی، بیورن اسپارمن، شاندی کرنیزان و ماریا استبان کاساناس.

این تحقیق تا حدی توسط گروه Aisin، Amada Global و Emeco تامین مالی شده است.