26. Januar 2024
(Nanowerk-Neuigkeiten) MIT-Forscher haben eine additive Fertigungstechnik entwickelt, die schnell mit flüssigem Metall drucken und so in wenigen Minuten großformatige Teile wie Tischbeine und Stuhlgestelle herstellen kann. Bei ihrer Technik namens Liquid Metal Printing (LMP) wird geschmolzenes Aluminium entlang einer vordefinierten Bahn in ein Bett aus winzigen Glasperlen aufgetragen. Das Aluminium härtet schnell zu einer 3D-Struktur aus.
Beim Flüssigmetalldruckverfahren wird geschmolzenes Aluminium entlang einer vordefinierten Bahn in ein Bett aus winzigen Glasperlen aufgetragen, wie hier zu sehen ist. (Bild: MIT Self-Assembly Lab)
Mit dem LMP-Verfahren können komplexe Geometrien gedruckt werden, wie hier die Spirale. (Bild: MIT Self-Assembly Lab)
Die Forscher können die Vorschubgeschwindigkeit des Flüssigmetall-Druckprozesses so anpassen, dass bei der Bewegung der Düse mehr oder weniger Material aufgetragen wird und sich so die Form des gedruckten Objekts verändert. (Bild: MIT Self-Assembly Lab) Sie nutzten LMP, um schnell Aluminiumrahmen mit variablen Dicken herzustellen, die langlebig genug waren, um Bearbeitungsprozessen wie Fräsen und Bohren standzuhalten. Sie demonstrierten eine Kombination aus LMP und diesen Nachbearbeitungstechniken, um Stühle und einen Tisch herzustellen, die aus schnell gedruckten Aluminiumteilen mit niedrigerer Auflösung und anderen Komponenten wie Holzstücken bestehen. In Zukunft wollen die Forscher die Maschine weiterentwickeln, um eine gleichmäßige Erwärmung der Düse zu ermöglichen, um ein Anhaften des Materials zu verhindern, und um außerdem eine bessere Kontrolle über den Fluss des geschmolzenen Materials zu erreichen. Größere Düsendurchmesser können jedoch zu unregelmäßigen Drucken führen, sodass noch technische Herausforderungen zu bewältigen sind. „Wenn wir diese Maschine zu etwas machen könnten, mit dem Menschen tatsächlich recyceltes Aluminium einschmelzen und Teile drucken könnten, würde das die Metallherstellung grundlegend verändern. Im Moment ist es dafür nicht zuverlässig genug, aber das ist das Ziel“, sagt Tibbits. „Wir bei Emeco kommen aus der Welt der sehr analogen Fertigung, daher war es wirklich faszinierend zu sehen, wie der Flüssigmetalldruck nuancierte Geometrien mit dem Potenzial für vollständig strukturelle Teile erzeugt“, sagt Jaye Buchbinder, der die Geschäftsentwicklung für das Möbelunternehmen Emeco leitet und war nicht an dieser Arbeit beteiligt. „Der Flüssigmetalldruck setzt neue Maßstäbe, wenn es um die Fähigkeit geht, Metallteile in kundenspezifischen Geometrien herzustellen und gleichzeitig eine schnelle Durchlaufzeit zu gewährleisten, die man normalerweise bei anderen Druck- oder Formtechnologien nicht erreicht. Es besteht definitiv Potenzial für die Technologie, die Art und Weise, wie Metalldruck und Metallumformung derzeit gehandhabt werden, zu revolutionieren.“
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Die Forscher sagen, dass LMP mindestens zehnmal schneller ist als ein vergleichbarer additiver Metallfertigungsprozess und dass das Verfahren zum Erhitzen und Schmelzen des Metalls effizienter ist als einige andere Methoden. Die Technik opfert Auflösung zugunsten von Geschwindigkeit und Skalierung. Zwar können damit Bauteile gedruckt werden, die größer sind als diejenigen, die normalerweise mit langsameren additiven Verfahren hergestellt werden, und das zu geringeren Kosten, hohe Auflösungen können jedoch nicht erreicht werden. Mit LMP hergestellte Teile wären beispielsweise für einige Anwendungen in der Architektur, im Bauwesen und im Industriedesign geeignet, wo Komponenten größerer Strukturen oft keine extrem feinen Details erfordern. Es könnte auch effektiv für die schnelle Prototypenerstellung mit Recycling- oder Altmetall eingesetzt werden. In einer aktuellen Studie demonstrierten die Forscher das Verfahren, indem sie Aluminiumrahmen und Teile für Tische und Stühle druckten, die stabil genug waren, um der Nachbearbeitung standzuhalten. Sie zeigten, wie mit LMP hergestellte Komponenten mit hochauflösenden Verfahren und zusätzlichen Materialien zu funktionalen Möbeln kombiniert werden können. „Dies ist eine völlig andere Richtung in unserer Sicht auf die Metallherstellung, die einige enorme Vorteile bietet. Es hat auch Schattenseiten. Aber der Großteil unserer gebauten Welt – die Dinge um uns herum wie Tische, Stühle und Gebäude – benötigt keine extrem hohe Auflösung. Geschwindigkeit und Skalierung sowie Wiederholbarkeit und Energieverbrauch sind wichtige Messgrößen“, sagt Skylar Tibbits, außerordentlicher Professor am Fachbereich Architektur und Co-Direktor des Self-Assembly Lab, der leitender Autor eines Artikels zur Einführung von LMP ist („Flüssigmetalldruck“; PDF). Tibbits wird bei dem Artikel von Hauptautor Zain Karsan SM '23 unterstützt, der jetzt Doktorand an der ETH Zürich ist; sowie Kimball Kaiser SM '22 und Jared Laucks, ein Forschungswissenschaftler und Labor-Co-Direktor. Die Forschungsergebnisse wurden auf der Konferenz der Association for Computer Aided Design in Architecture vorgestellt und kürzlich im Tagungsband der Association veröffentlicht.
Beim Flüssigmetalldruckverfahren wird geschmolzenes Aluminium entlang einer vordefinierten Bahn in ein Bett aus winzigen Glasperlen aufgetragen, wie hier zu sehen ist. (Bild: MIT Self-Assembly Lab)
Deutliche Beschleunigung
Mit einer Methode zum Drucken mit Metallen, die im Baugewerbe und in der Architektur üblich ist und als Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) bezeichnet wird, können große Strukturen mit niedriger Auflösung erzeugt werden, diese können jedoch anfällig für Risse und Verformungen sein, da einige Teile dabei umgeschmolzen werden müssen den Druckvorgang. LMP hingegen hält das Material während des gesamten Prozesses geschmolzen und vermeidet so einige der strukturellen Probleme, die durch das Umschmelzen entstehen. Aufbauend auf früheren Arbeiten der Gruppe zum schnellen Flüssigkeitsdruck mit Gummi bauten die Forscher eine Maschine, die Aluminium schmilzt, das geschmolzene Metall hält und es mit hoher Geschwindigkeit durch eine Düse abgibt. Großformatige Teile lassen sich in wenigen Sekunden drucken, anschließend kühlt das geschmolzene Aluminium in wenigen Minuten ab. „Unsere Prozessgeschwindigkeit ist wirklich hoch, aber auch sehr schwer zu kontrollieren. Es ist mehr oder weniger so, als würde man einen Wasserhahn öffnen. Man muss eine große Menge Material schmelzen, was einige Zeit in Anspruch nimmt, aber sobald man es zum Schmelzen gebracht hat, ist es, als würde man einen Wasserhahn öffnen. Dadurch können wir diese Geometrien sehr schnell drucken“, erklärt Karsan. Das Team entschied sich für Aluminium, weil es häufig im Bauwesen verwendet wird und kostengünstig und effizient recycelt werden kann. Brotlaibgroße Aluminiumstücke werden in einen Elektroofen gelegt, „der im Grunde einem vergrößerten Toaster ähnelt“, fügt Karsan hinzu. Metallspulen im Ofen erhitzen das Metall auf 700 Grad Celsius, etwas über dem Schmelzpunkt von Aluminium von 660 Grad. Das Aluminium wird in einem Graphittiegel auf hoher Temperatur gehalten, und dann wird das geschmolzene Material durch Schwerkraft durch eine Keramikdüse entlang eines voreingestellten Pfads in ein Druckbett geleitet. Sie fanden heraus, dass der Drucker umso schneller arbeiten kann, je mehr Aluminium sie schmelzen konnten. „Geschmolzenes Aluminium zerstört nahezu alles, was ihm in den Weg kommt. Wir haben mit Edelstahldüsen begonnen und sind dann zu Titan übergegangen, bevor wir uns für Keramik entschieden haben. Aber auch Keramikdüsen können verstopfen, weil die Erwärmung in der Düsenspitze nicht immer ganz gleichmäßig ist“, sagt Karsan. Durch das direkte Einspritzen des geschmolzenen Materials in eine körnige Substanz müssen die Forscher keine Stützen drucken, um die Aluminiumstruktur zu halten, während sie ihre Form annimmt.
Mit dem LMP-Verfahren können komplexe Geometrien gedruckt werden, wie hier die Spirale. (Bild: MIT Self-Assembly Lab)
Den Prozess perfektionieren
Sie experimentierten mit einer Reihe von Materialien zum Füllen des Druckbetts, darunter Graphitpulver und Salz, bevor sie sich für 100-Mikrometer-Glasperlen entschieden. Die winzigen Glasperlen, die der extrem hohen Temperatur geschmolzenen Aluminiums standhalten, wirken als neutrale Suspension, sodass das Metall schnell abkühlen kann. „Die Glasperlen sind so fein, dass sie sich in der Hand wie Seide anfühlen. Das Pulver ist so klein, dass es die Oberflächeneigenschaften des gedruckten Objekts nicht wirklich verändert“, sagt Tibbits. Die Menge des im Tiegel enthaltenen geschmolzenen Materials, die Tiefe des Druckbetts sowie die Größe und Form der Düse haben den größten Einfluss auf die Geometrie des Endobjekts. Beispielsweise werden Teile des Objekts mit größeren Durchmessern zuerst gedruckt, da die Menge an Aluminium, die die Düse abgibt, mit zunehmender Entleerung des Tiegels abnimmt. Eine Änderung der Düsentiefe verändert die Dicke der Metallstruktur. Um den LMP-Prozess zu unterstützen, entwickelten die Forscher ein numerisches Modell, um die Materialmenge abzuschätzen, die zu einem bestimmten Zeitpunkt auf dem Druckbett abgelagert wird. Da die Düse in das Glasperlenpulver drückt, können die Forscher nicht zusehen, wie sich das geschmolzene Aluminium abscheidet. Deshalb brauchten sie eine Möglichkeit, zu simulieren, was an bestimmten Punkten im Druckprozess passieren sollte, erklärt Tibbits.
Die Forscher können die Vorschubgeschwindigkeit des Flüssigmetall-Druckprozesses so anpassen, dass bei der Bewegung der Düse mehr oder weniger Material aufgetragen wird und sich so die Form des gedruckten Objekts verändert. (Bild: MIT Self-Assembly Lab) Sie nutzten LMP, um schnell Aluminiumrahmen mit variablen Dicken herzustellen, die langlebig genug waren, um Bearbeitungsprozessen wie Fräsen und Bohren standzuhalten. Sie demonstrierten eine Kombination aus LMP und diesen Nachbearbeitungstechniken, um Stühle und einen Tisch herzustellen, die aus schnell gedruckten Aluminiumteilen mit niedrigerer Auflösung und anderen Komponenten wie Holzstücken bestehen. In Zukunft wollen die Forscher die Maschine weiterentwickeln, um eine gleichmäßige Erwärmung der Düse zu ermöglichen, um ein Anhaften des Materials zu verhindern, und um außerdem eine bessere Kontrolle über den Fluss des geschmolzenen Materials zu erreichen. Größere Düsendurchmesser können jedoch zu unregelmäßigen Drucken führen, sodass noch technische Herausforderungen zu bewältigen sind. „Wenn wir diese Maschine zu etwas machen könnten, mit dem Menschen tatsächlich recyceltes Aluminium einschmelzen und Teile drucken könnten, würde das die Metallherstellung grundlegend verändern. Im Moment ist es dafür nicht zuverlässig genug, aber das ist das Ziel“, sagt Tibbits. „Wir bei Emeco kommen aus der Welt der sehr analogen Fertigung, daher war es wirklich faszinierend zu sehen, wie der Flüssigmetalldruck nuancierte Geometrien mit dem Potenzial für vollständig strukturelle Teile erzeugt“, sagt Jaye Buchbinder, der die Geschäftsentwicklung für das Möbelunternehmen Emeco leitet und war nicht an dieser Arbeit beteiligt. „Der Flüssigmetalldruck setzt neue Maßstäbe, wenn es um die Fähigkeit geht, Metallteile in kundenspezifischen Geometrien herzustellen und gleichzeitig eine schnelle Durchlaufzeit zu gewährleisten, die man normalerweise bei anderen Druck- oder Formtechnologien nicht erreicht. Es besteht definitiv Potenzial für die Technologie, die Art und Weise, wie Metalldruck und Metallumformung derzeit gehandhabt werden, zu revolutionieren.“
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- Quelle: https://www.nanowerk.com/news2/gadget/newsid=64521.php
