26년 2024월 XNUMX일
(나노 워크 뉴스) MIT 연구진은 액체 금속을 빠르게 인쇄하여 테이블 다리나 의자 프레임과 같은 대규모 부품을 단 몇 분 만에 생산할 수 있는 적층 가공 기술을 개발했습니다. 액체 금속 인쇄(LMP)라고 불리는 그들의 기술은 미리 정의된 경로를 따라 작은 유리 구슬 층에 용융된 알루미늄을 증착하는 것을 포함합니다. 알루미늄은 빠르게 3D 구조로 경화됩니다.
액체 금속 인쇄 공정에는 여기에 표시된 것처럼 미리 정의된 경로를 따라 작은 유리 구슬 층에 용융된 알루미늄을 증착하는 작업이 포함됩니다. (이미지 : MIT 자기 조립 연구소)
LMP 프로세스를 사용하면 여기에 표시된 나선형과 같은 복잡한 형상을 인쇄할 수 있습니다. (이미지 : MIT 자기 조립 연구소)
연구원들은 액체 금속 인쇄 공정의 공급 속도를 조정하여 노즐이 움직일 때 더 많거나 적은 재료가 증착되어 인쇄된 물체의 모양을 변경할 수 있습니다. (이미지: MIT 자체 조립 연구소) 그들은 LMP를 사용하여 밀링 및 보링과 같은 가공 공정을 견딜 수 있을 만큼 내구성이 뛰어난 다양한 두께의 알루미늄 프레임을 신속하게 생산했습니다. 그들은 LMP와 이러한 후처리 기술을 조합하여 저해상도의 빠르게 인쇄된 알루미늄 부품과 나무 조각과 같은 기타 구성 요소로 구성된 의자와 테이블을 시연했습니다. 앞으로 연구원들은 재료가 달라붙는 것을 방지하기 위해 노즐에서 일관된 가열을 가능하게 하고 용융된 재료의 흐름을 더 잘 제어할 수 있도록 기계에서 계속 반복하기를 원합니다. 그러나 노즐 직경이 커지면 인쇄가 불규칙해질 수 있으므로 여전히 극복해야 할 기술적 과제가 있습니다. “이 기계를 사람들이 실제로 재활용 알루미늄을 녹이고 부품을 인쇄하는 데 사용할 수 있는 것으로 만들 수 있다면 이는 금속 제조 분야의 판도를 바꾸는 일이 될 것입니다. 지금 당장은 그렇게 할 만큼 신뢰할 수 없지만 그것이 목표입니다.”라고 Tibbits는 말합니다. 가구 회사 Emeco의 비즈니스 개발을 이끌고 있으며 이 작업에는 관여하지 않습니다. “액체 금속 인쇄는 일반적으로 다른 인쇄 또는 성형 기술에서 얻을 수 없는 빠른 처리 시간을 유지하면서 맞춤형 형상으로 금속 부품을 생산할 수 있는 능력 측면에서 실제로 최고 수준입니다. 이 기술은 현재 금속 인쇄 및 금속 성형이 처리되는 방식에 혁명을 일으킬 가능성이 분명히 있습니다.”
[포함 된 콘텐츠]
연구원들은 LMP가 유사한 금속 적층 제조 공정보다 최소 10배 빠르며 금속을 가열하고 녹이는 절차가 다른 방법보다 더 효율적이라고 말합니다. 이 기술은 속도와 규모를 위해 해상도를 희생합니다. 느린 적층 기법으로 일반적으로 제작되는 것보다 더 큰 구성 요소를 더 낮은 비용으로 인쇄할 수 있지만 높은 해상도를 달성할 수는 없습니다. 예를 들어, LMP로 생산된 부품은 건축, 건설, 산업 디자인 분야의 일부 응용 분야에 적합하며, 대형 구조물의 구성 요소에는 극히 미세한 세부 사항이 필요하지 않은 경우가 많습니다. 또한 재활용 금속이나 고철을 이용한 신속한 프로토타이핑에도 효과적으로 활용될 수 있습니다. 최근 연구에서 연구원들은 인쇄 후 가공을 견딜 수 있을 만큼 튼튼한 테이블과 의자용 알루미늄 프레임과 부품을 인쇄하여 절차를 시연했습니다. 그들은 LMP로 만든 구성 요소가 고해상도 공정 및 추가 재료와 결합되어 기능성 가구를 만드는 방법을 보여주었습니다. “이것은 몇 가지 큰 장점이 있는 금속 제조에 대해 우리가 생각하는 방식과 완전히 다른 방향입니다. 단점도 있습니다. 그러나 테이블, 의자, 건물 등 우리 주변에 있는 대부분의 건축 세계에는 극도로 높은 해상도가 필요하지 않습니다. 속도와 규모, 그리고 반복성과 에너지 소비는 모두 중요한 지표입니다." LMP를 소개하는 논문의 수석 저자이자 건축학과 부교수이자 Self-Assembly Lab의 공동 책임자인 Skylar Tibbits는 말합니다.“액체금속 프린팅”; PDF). Tibbits는 현재 ETH Zurich의 박사 과정 학생인 수석 저자 Zain Karsan SM '23이 논문에 합류했습니다. Kimball Kaiser SM '22 및 연구 과학자이자 연구실 공동 책임자인 Jared Laucks도 포함됩니다. 이 연구는 건축 컨퍼런스의 컴퓨터 지원 설계 협회(Association for Computer Aided Design in Architecture Conference)에서 발표되었으며 최근 협회의 회보에 게재되었습니다.
액체 금속 인쇄 공정에는 여기에 표시된 것처럼 미리 정의된 경로를 따라 작은 유리 구슬 층에 용융된 알루미늄을 증착하는 작업이 포함됩니다. (이미지 : MIT 자기 조립 연구소)
상당한 속도 향상
WAAM(와이어 아크 적층 제조)이라고 하는 건설 및 건축 분야에서 흔히 사용되는 금속을 인쇄하는 한 가지 방법은 크고 해상도가 낮은 구조물을 생산할 수 있지만 작업 중에 일부 부분을 다시 녹여야 하기 때문에 균열과 뒤틀림이 발생할 수 있습니다. 인쇄 과정. 반면 LMP는 공정 전반에 걸쳐 재료를 용융 상태로 유지하여 재용해로 인한 일부 구조적 문제를 방지합니다. 고무를 이용한 고속 액체 인쇄에 대한 그룹의 이전 연구를 바탕으로 연구원들은 알루미늄을 녹이고, 녹은 금속을 유지하고, 노즐을 통해 고속으로 침전시키는 기계를 만들었습니다. 대규모 부품은 단 몇 초 만에 프린팅할 수 있으며, 용융된 알루미늄은 몇 분 만에 냉각됩니다. “우리의 처리 속도는 정말 높지만 제어하기가 매우 어렵습니다. 그것은 수도꼭지를 여는 것과 거의 비슷합니다. 녹여야 할 재료의 양이 많아 시간이 좀 걸리지만 일단 녹이고 나면 수도꼭지를 여는 것과 같습니다. 이를 통해 이러한 형상을 매우 빠르게 인쇄할 수 있습니다.”라고 Karsan은 설명합니다. 팀은 건축에 흔히 사용되는 알루미늄이 저렴하고 효율적으로 재활용될 수 있기 때문에 알루미늄을 선택했습니다. 빵 덩어리 크기의 알루미늄 조각이 전기로에 쌓이는데, 이는 "기본적으로 확대된 토스터와 같습니다"라고 Karsan은 덧붙입니다. 용광로 내부의 금속 코일은 알루미늄의 녹는점인 700도보다 약간 높은 섭씨 660도까지 금속을 가열합니다. 알루미늄은 흑연 도가니에서 고온으로 유지되고, 용융된 재료는 미리 설정된 경로를 따라 세라믹 노즐을 통해 인쇄 베드로 중력 공급됩니다. 그들은 녹일 수 있는 알루미늄의 양이 많을수록 프린터의 속도가 빨라진다는 사실을 발견했습니다. “용해된 알루미늄은 그 경로에 있는 거의 모든 것을 파괴할 것입니다. 우리는 스테인리스 스틸 노즐로 시작하여 티타늄으로 옮겨가다가 결국 세라믹으로 마무리했습니다. 그러나 세라믹 노즐도 노즐 팁의 가열이 항상 완전히 균일하지 않기 때문에 막힐 수 있습니다.”라고 Karsan은 말합니다. 용융된 재료를 입상 물질에 직접 주입함으로써 연구원들은 알루미늄 구조의 모양을 유지하기 위해 지지대를 인쇄할 필요가 없습니다.
LMP 프로세스를 사용하면 여기에 표시된 나선형과 같은 복잡한 형상을 인쇄할 수 있습니다. (이미지 : MIT 자기 조립 연구소)
프로세스 완성
그들은 100미크론 유리 구슬을 선택하기 전에 흑연 분말과 소금을 포함하여 인쇄 베드를 채우기 위한 다양한 재료를 실험했습니다. 용융된 알루미늄의 극도로 높은 온도를 견딜 수 있는 작은 유리 구슬은 중성 현탁액 역할을 하여 금속이 빠르게 냉각될 수 있습니다. “유리구슬이 너무 미세해서 손에 쥐었을 때 실크처럼 느껴져요. 분말은 너무 작아서 인쇄물의 표면 특성을 실제로 바꾸지 않습니다.”라고 Tibbits는 말합니다. 도가니에 담긴 용융된 재료의 양, 프린트 베드의 깊이, 노즐의 크기와 모양은 최종 물체의 형상에 가장 큰 영향을 미칩니다. 예를 들어, 도가니가 비워지면서 노즐에서 분배되는 알루미늄의 양이 점점 줄어들기 때문에 직경이 더 큰 물체의 부분이 먼저 인쇄됩니다. 노즐의 깊이를 변경하면 금속 구조의 두께가 변경됩니다. LMP 공정을 돕기 위해 연구원들은 주어진 시간에 인쇄 베드에 증착될 재료의 양을 추정하는 수치 모델을 개발했습니다. 노즐이 유리 비드 분말을 밀어 넣기 때문에 연구원들은 용융된 알루미늄이 침전되는 것을 볼 수 없기 때문에 인쇄 과정의 특정 지점에서 무슨 일이 벌어지는지 시뮬레이션할 수 있는 방법이 필요했다고 Tibbits는 설명합니다.
연구원들은 액체 금속 인쇄 공정의 공급 속도를 조정하여 노즐이 움직일 때 더 많거나 적은 재료가 증착되어 인쇄된 물체의 모양을 변경할 수 있습니다. (이미지: MIT 자체 조립 연구소) 그들은 LMP를 사용하여 밀링 및 보링과 같은 가공 공정을 견딜 수 있을 만큼 내구성이 뛰어난 다양한 두께의 알루미늄 프레임을 신속하게 생산했습니다. 그들은 LMP와 이러한 후처리 기술을 조합하여 저해상도의 빠르게 인쇄된 알루미늄 부품과 나무 조각과 같은 기타 구성 요소로 구성된 의자와 테이블을 시연했습니다. 앞으로 연구원들은 재료가 달라붙는 것을 방지하기 위해 노즐에서 일관된 가열을 가능하게 하고 용융된 재료의 흐름을 더 잘 제어할 수 있도록 기계에서 계속 반복하기를 원합니다. 그러나 노즐 직경이 커지면 인쇄가 불규칙해질 수 있으므로 여전히 극복해야 할 기술적 과제가 있습니다. “이 기계를 사람들이 실제로 재활용 알루미늄을 녹이고 부품을 인쇄하는 데 사용할 수 있는 것으로 만들 수 있다면 이는 금속 제조 분야의 판도를 바꾸는 일이 될 것입니다. 지금 당장은 그렇게 할 만큼 신뢰할 수 없지만 그것이 목표입니다.”라고 Tibbits는 말합니다. 가구 회사 Emeco의 비즈니스 개발을 이끌고 있으며 이 작업에는 관여하지 않습니다. “액체 금속 인쇄는 일반적으로 다른 인쇄 또는 성형 기술에서 얻을 수 없는 빠른 처리 시간을 유지하면서 맞춤형 형상으로 금속 부품을 생산할 수 있는 능력 측면에서 실제로 최고 수준입니다. 이 기술은 현재 금속 인쇄 및 금속 성형이 처리되는 방식에 혁명을 일으킬 가능성이 분명히 있습니다.”
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- 출처: https://www.nanowerk.com/news2/gadget/newsid=64521.php
