26 يناير 2024
(أخبار Nanowerk) طور باحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا تقنية تصنيع مضافة يمكنها الطباعة بسرعة باستخدام المعدن السائل، وإنتاج أجزاء كبيرة الحجم مثل أرجل الطاولة وإطارات الكراسي في غضون دقائق. تتضمن تقنيتهم، التي تسمى طباعة المعدن السائل (LMP)، ترسيب الألومنيوم المنصهر على طول مسار محدد مسبقًا في طبقة من الخرز الزجاجي الصغير. يتصلب الألومنيوم بسرعة ليتحول إلى هيكل ثلاثي الأبعاد.
تتضمن عملية طباعة المعدن السائل ترسيب الألومنيوم المنصهر على طول مسار محدد مسبقًا في طبقة من الخرز الزجاجي الصغير، كما هو موضح هنا. (الصورة: مختبر التجميع الذاتي بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا)
يمكن لعملية LMP أن تمكن من طباعة أشكال هندسية معقدة، مثل الشكل الحلزوني الذي نراه هنا. (الصورة: مختبر التجميع الذاتي بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا)
يمكن للباحثين ضبط معدل تغذية عملية الطباعة على المعدن السائل بحيث يتم ترسب كمية أكبر أو أقل من المواد أثناء تحرك الفوهة، مما يؤدي إلى تغيير شكل الجسم المطبوع. (الصورة: مختبر التجميع الذاتي بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا) استخدموا LMP لإنتاج إطارات الألومنيوم بسماكات مختلفة بسرعة، والتي كانت متينة بما يكفي لتحمل عمليات التصنيع مثل الطحن والتجويف. لقد أظهروا مزيجًا من LMP وتقنيات ما بعد المعالجة هذه لصنع كراسي وطاولة مكونة من أجزاء ألومنيوم مطبوعة بسرعة منخفضة الدقة ومكونات أخرى، مثل قطع الخشب. للمضي قدمًا، يريد الباحثون الاستمرار في التكرار على الآلة حتى يتمكنوا من تمكين التسخين المتسق في الفوهة لمنع المواد من الالتصاق، وكذلك تحقيق تحكم أفضل في تدفق المواد المنصهرة. لكن أقطار الفوهة الأكبر يمكن أن تؤدي إلى مطبوعات غير منتظمة، لذلك لا تزال هناك تحديات تقنية يجب التغلب عليها. "إذا تمكنا من جعل هذه الآلة شيئًا يمكن للناس استخدامه فعليًا لصهر الألومنيوم المعاد تدويره وطباعة الأجزاء، فإن ذلك من شأنه أن يغير قواعد اللعبة في تصنيع المعادن. يقول تيبيتس: "في الوقت الحالي، لا يمكن الاعتماد على ما يكفي للقيام بذلك، ولكن هذا هو الهدف". يقول جاي بوشبيندر، الذي يقود تطوير الأعمال في شركة الأثاث Emeco، وكان لا تشارك في هذا العمل. "إن الطباعة المعدنية السائلة تسير حقًا على الخط من حيث القدرة على إنتاج أجزاء معدنية بأشكال هندسية مخصصة مع الحفاظ على التحول السريع الذي لا تحصل عليه عادةً في تقنيات الطباعة أو التشكيل الأخرى. هناك بالتأكيد إمكانية أن تحدث هذه التكنولوجيا ثورة في الطريقة التي يتم بها التعامل حاليًا مع الطباعة المعدنية وتشكيل المعادن.
[المحتوى جزءا لا يتجزأ]
يقول الباحثون إن LMP أسرع بعشر مرات على الأقل من عملية تصنيع الإضافات المعدنية المماثلة، كما أن إجراء تسخين المعدن وصهره أكثر كفاءة من بعض الطرق الأخرى. هذه التقنية لا تضحي بالدقة من أجل السرعة والحجم. في حين أنها تستطيع طباعة مكونات أكبر من تلك التي يتم تصنيعها عادةً باستخدام تقنيات إضافة أبطأ، وبتكلفة أقل، إلا أنها لا تستطيع تحقيق دقة عالية. على سبيل المثال، الأجزاء المنتجة باستخدام LMP ستكون مناسبة لبعض التطبيقات في الهندسة المعمارية والبناء والتصميم الصناعي، حيث لا تتطلب مكونات الهياكل الأكبر في كثير من الأحيان تفاصيل دقيقة للغاية. ويمكن أيضًا استخدامه بشكل فعال للنماذج الأولية السريعة باستخدام المعادن المعاد تدويرها أو الخردة. في دراسة حديثة، أظهر الباحثون الإجراء من خلال طباعة إطارات وأجزاء من الألومنيوم للطاولات والكراسي والتي كانت قوية بما يكفي لتحمل عمليات ما بعد الطباعة. لقد أظهروا كيف يمكن دمج المكونات المصنوعة باستخدام LMP مع عمليات عالية الدقة ومواد إضافية لإنشاء أثاث عملي. "هذا اتجاه مختلف تمامًا في طريقة تفكيرنا في تصنيع المعادن الذي يتمتع ببعض المزايا الضخمة. ولها سلبيات أيضا. لكن معظم عالمنا المبني - الأشياء من حولنا مثل الطاولات والكراسي والمباني - لا تحتاج إلى دقة عالية للغاية. يقول سكايلر تيبيتس، الأستاذ المشارك في قسم الهندسة المعمارية والمدير المشارك لمختبر التجميع الذاتي، وهو مؤلف رئيسي لورقة بحثية حول LMP (إن السرعة والحجم، وكذلك التكرار واستهلاك الطاقة، كلها مقاييس مهمة)."الطباعة المعدنية السائلة"; بي دي إف). انضم إلى Tibbits في الورقة المؤلف الرئيسي Zain Karsan SM '23، وهو الآن طالب دكتوراه في ETH Zurich؛ بالإضافة إلى Kimball Kaiser SM '22 وجاريد لاوكس، عالم الأبحاث والمدير المشارك للمختبر. تم تقديم البحث في مؤتمر جمعية التصميم بمساعدة الكمبيوتر في الهندسة المعمارية وتم نشره مؤخرًا في وقائع الجمعية.
تتضمن عملية طباعة المعدن السائل ترسيب الألومنيوم المنصهر على طول مسار محدد مسبقًا في طبقة من الخرز الزجاجي الصغير، كما هو موضح هنا. (الصورة: مختبر التجميع الذاتي بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا)
تسريع ملحوظ
إحدى طرق الطباعة بالمعادن الشائعة في البناء والهندسة المعمارية، تسمى التصنيع بالإضافة إلى قوس الأسلاك (WAAM)، قادرة على إنتاج هياكل كبيرة ومنخفضة الدقة، ولكنها قد تكون عرضة للتشقق والالتواء لأنه يجب إعادة صهر بعض الأجزاء أثناء عملية الطباعة. من ناحية أخرى، يحافظ LMP على المادة المنصهرة طوال العملية، مما يتجنب بعض المشكلات الهيكلية الناجمة عن إعادة الصهر. وبالاعتماد على العمل السابق للمجموعة بشأن الطباعة السائلة السريعة بالمطاط، قام الباحثون ببناء آلة تصهر الألومنيوم، وتحمل المعدن المنصهر، وترسبه من خلال فوهة بسرعات عالية. يمكن طباعة أجزاء كبيرة الحجم في بضع ثوانٍ فقط، ومن ثم يبرد الألومنيوم المنصهر في عدة دقائق. "إن معدل العمليات لدينا مرتفع حقًا، ولكن من الصعب جدًا التحكم فيه أيضًا. إنه يشبه إلى حد ما فتح الصنبور. لديك كمية كبيرة من المواد لتذوبها، الأمر الذي يستغرق بعض الوقت، ولكن بمجرد أن تذوب، يصبح الأمر مثل فتح الصنبور. يشرح كارسان ذلك قائلاً: "يتيح لنا ذلك طباعة هذه الأشكال الهندسية بسرعة كبيرة". اختار الفريق الألومنيوم لأنه شائع الاستخدام في البناء ويمكن إعادة تدويره بتكلفة منخفضة وبكفاءة. ويضيف كارسان أنه يتم وضع قطع من الألومنيوم بحجم رغيف الخبز في فرن كهربائي، "يشبه في الأساس محمصة الخبز الكبيرة". تقوم الملفات المعدنية الموجودة داخل الفرن بتسخين المعدن إلى 700 درجة مئوية، أي أعلى بقليل من نقطة انصهار الألومنيوم البالغة 660 درجة. يتم الاحتفاظ بالألمنيوم عند درجة حرارة عالية في بوتقة من الجرافيت، ومن ثم يتم تغذية المادة المنصهرة بالجاذبية من خلال فوهة سيراميكية إلى طبقة طباعة على طول مسار محدد مسبقًا. ووجدوا أنه كلما زادت كمية الألومنيوم التي يمكن أن تذوب، زادت سرعة الطابعة. "سوف يدمر الألمنيوم المصهور كل شيء في طريقه. لقد بدأنا بفوهات من الفولاذ المقاوم للصدأ ثم انتقلنا إلى التيتانيوم قبل أن ننتهي بالسيراميك. يقول كارسان: "لكن حتى الفوهات الخزفية يمكن أن تنسد لأن التسخين ليس دائمًا متساويًا تمامًا في طرف الفوهة". ومن خلال حقن المادة المنصهرة مباشرة في مادة حبيبية، لا يحتاج الباحثون إلى طباعة دعامات لتثبيت هيكل الألومنيوم أثناء تشكيله.
يمكن لعملية LMP أن تمكن من طباعة أشكال هندسية معقدة، مثل الشكل الحلزوني الذي نراه هنا. (الصورة: مختبر التجميع الذاتي بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا)
اتقان العملية
لقد جربوا عددًا من المواد لملء طبقة الطباعة، بما في ذلك مساحيق الجرافيت والملح، قبل اختيار الخرز الزجاجي بقطر 100 ميكرون. تعمل الخرزات الزجاجية الصغيرة، التي يمكنها تحمل درجة الحرارة العالية للغاية للألمنيوم المنصهر، بمثابة تعليق محايد حتى يتمكن المعدن من التبريد بسرعة. "الخرز الزجاجي ناعم للغاية لدرجة أنه يبدو كالحرير في يدك. يقول تيبيتس: "إن المسحوق صغير جدًا لدرجة أنه لا يغير حقًا خصائص سطح الجسم المطبوع". إن كمية المادة المنصهرة الموجودة في البوتقة، وعمق طبقة الطباعة، وحجم الفوهة وشكلها لها أكبر التأثيرات على هندسة الجسم النهائي. على سبيل المثال، تتم طباعة أجزاء الجسم ذات الأقطار الأكبر أولاً، نظرًا لأن كمية الألومنيوم التي توزعها الفوهة تتناقص تدريجيًا مع إفراغ البوتقة. يؤدي تغيير عمق الفوهة إلى تغيير سمك الهيكل المعدني. للمساعدة في عملية LMP، طور الباحثون نموذجًا رقميًا لتقدير كمية المواد التي سيتم إيداعها في طبقة الطباعة في وقت معين. يوضح تيبيتس أنه نظرًا لأن الفوهة تندفع داخل مسحوق الخرز الزجاجي، لا يستطيع الباحثون مشاهدة الألومنيوم المنصهر أثناء ترسبه، لذلك كانوا بحاجة إلى طريقة لمحاكاة ما يجب أن يحدث في نقاط معينة في عملية الطباعة.
يمكن للباحثين ضبط معدل تغذية عملية الطباعة على المعدن السائل بحيث يتم ترسب كمية أكبر أو أقل من المواد أثناء تحرك الفوهة، مما يؤدي إلى تغيير شكل الجسم المطبوع. (الصورة: مختبر التجميع الذاتي بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا) استخدموا LMP لإنتاج إطارات الألومنيوم بسماكات مختلفة بسرعة، والتي كانت متينة بما يكفي لتحمل عمليات التصنيع مثل الطحن والتجويف. لقد أظهروا مزيجًا من LMP وتقنيات ما بعد المعالجة هذه لصنع كراسي وطاولة مكونة من أجزاء ألومنيوم مطبوعة بسرعة منخفضة الدقة ومكونات أخرى، مثل قطع الخشب. للمضي قدمًا، يريد الباحثون الاستمرار في التكرار على الآلة حتى يتمكنوا من تمكين التسخين المتسق في الفوهة لمنع المواد من الالتصاق، وكذلك تحقيق تحكم أفضل في تدفق المواد المنصهرة. لكن أقطار الفوهة الأكبر يمكن أن تؤدي إلى مطبوعات غير منتظمة، لذلك لا تزال هناك تحديات تقنية يجب التغلب عليها. "إذا تمكنا من جعل هذه الآلة شيئًا يمكن للناس استخدامه فعليًا لصهر الألومنيوم المعاد تدويره وطباعة الأجزاء، فإن ذلك من شأنه أن يغير قواعد اللعبة في تصنيع المعادن. يقول تيبيتس: "في الوقت الحالي، لا يمكن الاعتماد على ما يكفي للقيام بذلك، ولكن هذا هو الهدف". يقول جاي بوشبيندر، الذي يقود تطوير الأعمال في شركة الأثاث Emeco، وكان لا تشارك في هذا العمل. "إن الطباعة المعدنية السائلة تسير حقًا على الخط من حيث القدرة على إنتاج أجزاء معدنية بأشكال هندسية مخصصة مع الحفاظ على التحول السريع الذي لا تحصل عليه عادةً في تقنيات الطباعة أو التشكيل الأخرى. هناك بالتأكيد إمكانية أن تحدث هذه التكنولوجيا ثورة في الطريقة التي يتم بها التعامل حاليًا مع الطباعة المعدنية وتشكيل المعادن.
- محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
- أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
- أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
- أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
- المصدر https://www.nanowerk.com/news2/gadget/newsid=64521.php
