Gli esperti rivelano la stampa 3D veloce utilizzando metallo liquido

I ricercatori affermano che l’LMP è almeno 10 volte più veloce di un processo simile di produzione additiva metallica e che la procedura per riscaldare e fondere il metallo è più efficiente di altri metodi.

Questa tecnologia non sacrifica la precisione a favore della velocità e delle dimensioni. Sebbene possano stampare componenti più grandi di quelli che verrebbero normalmente prodotti utilizzando tecniche additive più lente e a un costo inferiore, non possono raggiungere un’alta risoluzione.

Ad esempio, le parti prodotte utilizzando LMP saranno adatte per alcune applicazioni in architettura, edilizia e design industriale, dove i componenti di strutture più grandi spesso non richiedono dettagli molto fini. Può anche essere utilizzato efficacemente per la prototipazione rapida utilizzando metalli riciclati o di scarto.

In uno studio recente, i ricercatori hanno dimostrato la procedura stampando telai e parti in alluminio per tavoli e sedie sufficientemente robusti da resistere alle operazioni post-stampa. Hanno mostrato come i componenti realizzati utilizzando LMP possano essere combinati con processi ad alta precisione e materiali aggiuntivi per creare mobili funzionali.

“Si tratta di una direzione molto diversa nel modo in cui pensiamo alla fabbricazione dei metalli, che presenta alcuni enormi vantaggi. Ha anche degli svantaggi. Ma la maggior parte del nostro mondo costruito – le cose intorno a noi come tavoli, sedie ed edifici – non necessitano di alta precisione . “La velocità e le dimensioni, così come la ripetibilità e il consumo energetico, sono tutti parametri importanti”, afferma Skylar Tibbetts, professore associato presso il Dipartimento di Architettura e condirettore del Self-Assembly Lab e autore senior dell'articolo. carta Ingresso LMP.

Tibbits è affiancato nell'articolo dall'autore principale Zain Karsan SM '23, ora dottorando all'ETH di Zurigo; così come Kimball Kaiser SM ’22 e Jared Laux, ricercatore e co-direttore del laboratorio. La ricerca è stata presentata alla conferenza della Society for Computer-Aided Design in Architecture ed è stata recentemente pubblicata negli Atti della Società.

Accelerazione notevole

Un metodo di stampa su metallo comune nell’edilizia e nell’architettura, chiamato produzione additiva con arco a filo (WAAM), è in grado di produrre strutture di grandi dimensioni a bassa risoluzione, ma può essere suscettibile a crepe e distorsioni perché alcune parti devono essere rifuse durante il processo di stampa.

D’altro canto, l’LMP preserva il materiale fuso durante tutto il processo, evitando alcuni dei problemi strutturali causati dalla rifusione.

Basandosi sul lavoro precedente del gruppo Stampa veloce su gomma liquidaI ricercatori hanno costruito una macchina che fonde l'alluminio, intrappola il metallo fuso e lo deposita attraverso un ugello ad alta velocità. È possibile stampare parti di grandi dimensioni in pochi secondi e l'alluminio fuso si raffredda in pochi minuti.

“La nostra velocità di elaborazione è davvero elevata, ma è molto difficile da controllare. È un po' come aprire un rubinetto. Hai una grande quantità di materiale da sciogliere, il che richiede un po' di tempo, ma una volta che si scioglie”, è come aprire un rubinetto. Ciò ci consente di stampare queste forme geometriche molto rapidamente”, spiega Karsan.

Il team ha scelto l’alluminio perché è comunemente utilizzato nell’edilizia e può essere riciclato in modo economico ed efficiente.

Pezzi di alluminio delle dimensioni di una pagnotta vengono posti in un forno elettrico, “praticamente come un grande tostapane”, aggiunge Karsan. Le bobine di metallo all'interno del forno riscaldano il metallo a 700 gradi Celsius, appena sopra il punto di fusione dell'alluminio di 660 gradi.

L'alluminio viene mantenuto ad alta temperatura in un crogiolo di grafite e il materiale fuso viene quindi alimentato per gravità attraverso un ugello ceramico in un letto di stampa lungo un percorso predeterminato. Hanno scoperto che maggiore è la quantità di alluminio che potrebbe sciogliersi, più veloce sarà la stampante.

“L'alluminio fuso distrugge quasi tutto ciò che incontra sul suo cammino. Abbiamo iniziato con ugelli in acciaio inossidabile per poi passare al titanio prima di finire con la ceramica. Ma anche gli ugelli in ceramica possono ostruirsi perché il riscaldamento non è sempre completamente uniforme sulla punta dell'ugello.” Karsan dice.

Iniettando il materiale fuso direttamente in un materiale granulare, i ricercatori non hanno bisogno di stampare supporti per tenere insieme la struttura di alluminio durante la sua formatura.

Padroneggiare il processo

Hanno provato diversi materiali per riempire lo strato di stampa, tra cui grafite e polveri di sale, prima di scegliere perle di vetro da 100 micron di diametro. Le minuscole perle di vetro, che possono resistere alla temperatura estremamente elevata dell'alluminio fuso, agiscono come una sospensione neutra in modo che il metallo possa raffreddarsi rapidamente.

“Le perle di vetro sono così fini che sembrano seta in mano. La polvere è così piccola che non cambia realmente le proprietà della superficie dell'oggetto stampato”, dice Tibbetts.

La quantità di materiale fuso nel crogiolo, la profondità dello strato di stampa e la dimensione e la forma dell'ugello hanno la maggiore influenza sulla geometria dell'oggetto finale.

Ad esempio, le parti del corpo con diametri maggiori vengono stampate per prime, poiché la quantità di alluminio distribuita dall'ugello diminuisce gradualmente man mano che il crogiolo si svuota. Cambiando la profondità dell'ugello cambia lo spessore della struttura metallica.

Per facilitare il processo LMP, i ricercatori hanno sviluppato un modello numerico per stimare la quantità di materiale che verrà depositata sul piano di stampa in un dato momento.

Poiché l'ugello spinge nella polvere di perle di vetro, i ricercatori non possono osservare l'alluminio fuso mentre si deposita, quindi avevano bisogno di un modo per simulare ciò che dovrebbe accadere in determinati punti del processo di stampa, spiega Tibbetts.

Hanno utilizzato LMP per produrre rapidamente telai in alluminio di vari spessori, sufficientemente resistenti da resistere a operazioni di lavorazione meccanica come fresatura e alesatura. Hanno dimostrato una combinazione di LMP e queste tecniche di post-elaborazione per realizzare sedie e un tavolo composti da parti in alluminio stampate velocemente a bassa risoluzione e altri componenti, come pezzi di legno.

Guardando al futuro, i ricercatori vogliono continuare a lavorare sulla macchina in modo da poter consentire un riscaldamento costante nell’ugello per evitare che i materiali si attacchino, oltre a ottenere un migliore controllo del flusso di materiale fuso. Ma i diametri degli ugelli più grandi possono provocare stampe irregolari, quindi ci sono ancora sfide tecniche da superare.

“Se riuscissimo a rendere questa macchina qualcosa che le persone possano effettivamente utilizzare per fondere l'alluminio riciclato e stampare parti, ciò rappresenterebbe un punto di svolta nella fabbricazione dei metalli. Al momento, non è abbastanza affidabile per farlo, ma questo è l'obiettivo”, afferma Tibbett.

afferma Jay Buchbinder, responsabile dello sviluppo aziendale presso l'azienda di mobili Emeco e non è stato coinvolto in questo lavoro. “La stampa di metalli liquidi è davvero all'avanguardia in termini di capacità di produrre parti metalliche con geometrie personalizzate mantenendo al tempo stesso i tempi di consegna rapidi che in genere non si ottengono con altre tecnologie di stampa o formatura. C'è sicuramente il potenziale per questa tecnologia di rivoluzionare il modo in cui viene attualmente eseguita la stampa dei metalli.” Lavorazione di stampa e formatura dei metalli.”