Robusztusabb, gyorsabb, olcsóbb: az MIT kutatói továbbfejlesztették a folyékony fém 3D nyomtatási eljárását. Az eljárás forradalmasíthatja a fém nyomtatását és formázását.
Legyen szó acélról, alumíniumról vagy rézről: a fémnyomtatás nem újdonság az építőiparban. Ha nagyobb szerkezetek 3D nyomtatással történő előállításáról van szó, a drótíves additív gyártás (WAAM) fejlett technológia. Ebben az eljárásban a drótokat rétegről rétegre olvasztják egy lemezre, amíg a kívánt alkatrész el nem készül. A WAAM költséghatékony módszer, de vannak gyengeségei is: ha az olvadt fémet nem hűtik megfelelően, az alkatrészek hajlamosak lehetnek a repedésre. Ráadásul a 3D-s fémnyomtatás ezen típusánál napokig is eltarthat egy tárgy elkészítése. Van más módszer: gyorsabb, jobb? Úgy tűnik, igen. A Massachusetts Institute of Technology (MIT) csapata továbbfejlesztett egy innovatív technológiát, a folyékony fémnyomtatást (LMP). Az eljárás nem új, de a kutatók megtalálták a módját annak, hogy a módszert mindennapi használatra is alkalmassá tegyék. Az olvadt alumíniumot apró üveggyöngyökből álló nyomtatóágyba öntik, amely gyorsan megszilárdul a kívánt alakban, kész 3D-szerkezetként. A tudósok szerint az LMP legalább tízszer gyorsabb, mint a hasonló additív gyártási eljárások. Ráadásul a fém melegítése és megolvasztása is hatékonyabb ezzel a módszerrel.
A csapat azért választotta az alumíniumot, mert a fémet gyakran használják az építőiparban, és költséghatékonyan, ugyanakkor eredményesen újrahasznosítható. Az LMP-vel előállított alkatrészek alkalmasak az építészetben, az építőiparban és az ipari formatervezésben történő gyártásra, amikor olyan nagyobb szerkezetek készülnek, amelyek nem igényelnek különösen finom részleteket. Az innovatív 3D nyomtatási eljárás újrahasznosított fémmel vagy törmelékkel történő gyors prototípusgyártásra is használható.
Az új 3D nyomtatás robusztusabb tárgyakat is előállít
A legtöbb körülöttünk lévő dolognak, például asztaloknak, székeknek és épületeknek nincs szükségük rendkívül nagy részletgazdagságra – mondja Skylar Tibbits, aki az MIT Építészeti Tanszékének docenseként dolgozik, és kulcsszerepet játszott a fejlesztésben. Ehelyett a sebesség és a méret, a megismételhetőség és az energiafogyasztás a fontos szempontok.
A csoport tanulmányában az új 3D nyomtatási eljárásukat úgy demonstrálta, hogy nagy sebességgel alumíniumkereteket és változó vastagságú alkatrészeket állítottak elő – alumíniumból és más, például fából készült asztalokhoz és székekhez. Az LMP-vel előállított alkatrészek elég robusztusnak bizonyultak ahhoz, hogy ellenálljanak az olyan megmunkálási folyamatoknak, mint a marás és a fúrás. Ez azt jelenti, hogy az alumínium alkatrészekből további anyagokkal kombinálva funkcionális bútorok készíthetők.
Olvasztott alumíniumból nyomtatva – egyetlen lépésben
A csoport a fejlesztést a gumival történő gyors folyékony nyomtatással kapcsolatos tapasztalatokra alapozta. A kutatók olyan gépet építettek, amely megolvasztja az alumíniumot, ebben az állapotban tartja a fémet, és nagy sebességgel egy fúvókán keresztül kilövi azt. A nagyméretű alkatrészek néhány másodperc alatt kinyomtathatók, az olvadt alumínium pedig mindössze néhány perc leforgása alatt lehűl.
A gép egy elektromos kemencéből áll, amely 700 Celsius-fokra melegíti a fémet. A fém olvadáspontja 660 fok. Az alumíniumot egy grafittégelyben tartják magas hőmérsékleten, és a gravitáció egy kerámiafúvókán keresztül a nyomtatóágyba juttatja. Minél nagyobb az alumínium mennyisége, annál gyorsabban működik a nyomtató – fedezték fel a tudósok. Mivel az olvadt anyagot közvetlenül a szemcsés anyag előre meghatározott útvonalába fecskendezik, a kutatóknak nincs szükségük arra, hogy az alumíniumszerkezetet az alakjának kialakításakor tartó alátámasztásokat nyomtassanak. Mivel a kiindulási anyag, az alumínium a folyamat során olvadt marad, elkerülhetők az olyan szerkezeti gyengeségek, mint amilyenek a WAAM-mal történő gyártás során jelentkeznek.
Üveggyöngyök hűtik a forró 3D nyomtatott alkatrészeket
A nyomtatóágy 100 mikrométeres üveggyöngyökből áll. Ezek ellenállnak az olvadt alumínium rendkívül magas hőmérsékletének, és lehetővé teszik a fém gyors lehűlését. A por másik előnye, hogy olyan finom, hogy nem igazán változtatja meg a nyomtatott tárgy felületét – mondja Tibbits.
A tégelyben lévő olvadt anyag tényleges mennyisége, a nyomtatóágy mélysége, valamint a fúvóka mérete és alakja befolyásolja leginkább a kész tárgy geometriáját. Például a tárgy nagyobb átmérőjű részeit nyomtatják ki először, mivel a tégely kiürülésével a fúvókából kiáramló alumínium mennyisége csökken.
A jövő folyékony fémnyomtatási technológiája?
A kutatók még ennél is többet szeretnének elérni, például egyenletes fűtést a fúvókában, hogy megakadályozzák az anyag összetapadását, és hogy jobban szabályozzák az olvadt anyag áramlását. A nagyobb fúvókaátmérő azonban szabálytalan nyomtatáshoz vezethet, így még vannak leküzdendő technikai kihívások. „Ha ezt a gépet úgy tudnánk megtervezni, hogy valóban újrahasznosított alumínium megolvasztására és alkatrészek nyomtatására is lehessen használni, az jelentős előrelépés lenne a fémgyártásban” – állítja meggyőződéssel Tibbits.
Fotó: MIT Self-Assembly Lab
