加速3-d印刷



最近从澳门银河网游的实验室工作可以帮助3 d印刷履行其长期承诺,通过实现快速设计和生产定制的和复杂的对象进行改造制造。

钥匙3-d印刷是在打印头,其沉积材料的连续层到表面上,直到最后的三维物体是完整的。研究人员已经设计了一种新的打印头,可以熔化并以空前的速度挤出材料,在几分钟内,而不是通过典型的桌面3-d打印机所需的小时创建复杂的手持对象。研究人员还证明了与纤维素3-d印刷的室温方法 - 一种可再生的,可生物降解的替代,现在一般使用的塑料。来显示纤维素的化学灵活性,他们已经在混合的抗微生物染料并打印了对耐药细菌手术镊子。

想象一个世界中的物体,可以在几分钟制造和定制的手头的任务。一个想法的新产品的发明者能够发展,同时在休息时间进行测试的原型。一个公司可以大规模生产的零件和产品,甚至是复杂的,不束缚于特定的部分工具和机器,不能移动。外科医生可以得到一个病人定制的膝关节置换无需离开手术室。和修复人员可以识别故障部件和制造上的网站一个新的 - 没有必要去仓库拿东西了库存。

这样的未来可以通过3-d印刷成为可能,说: 一种。约翰哈特,机械工程和实验室制造和生产力,并在澳门银河网游机械合成组主任副教授。

“3-d印刷迫使我们重新思考我们如何开发,生产和服务的产品,”他说。

3-d印刷,挤出的常规方法,开始用聚合物棒,或长丝。灯丝被加热,熔融,通过在打印头的喷嘴强制。以规定的图案跨越水平表面在打印头移动(打印床),在时间上沉积聚合物的一个层。在每次通过在打印床,指令确切告诉打印头,其中材料应当和不应当被挤压,使得在端部,所述层叠起来以形成期望的,独立式的3-d对象。

“因此而不是固体块起始和研磨材料之外,在3-d印刷 - 也称为增材制造 - 你开始并没有在同一时间建立你的对象一层,”哈特说。

工程师使用3-d印刷作为发明以来的快速原型工具的一些三十年前,但近年来其用途不断扩大。哈特功劳归于扩张,以更好地3-d打印机,同时也为3-d形状优化的广泛采用计算机辅助设计,或CAD,以及新兴的软件工具。今天的设计人员可以使用CAD软件来创建自己的针对性产品的虚拟3 d模型,并在此过程中,他们产生它的数字化描述。

该描述可以送入,开发用于控制3-d打印机的路径的指令的软件。结果,设计人员不再需要自己限制于可通过机加工或模制来制备结构。 “比如,你可以用一个复杂的内部结构,使得它轻,飞行节约燃料的飞机座位,指出:”哈特。

即使有了长足的进步,3-d印刷仍然是从什么HART预想它可以是一个很长的路要走。近两年进步了他的实验室,可以帮助加快采用3-d打印:可打印手持物远远超过今天的桌面3-d能打印机速度更快的计算机,以及使用纤维素作为一种廉价的,生物可再生的替代过程对于一般的塑料。

放缓的来源

找出减缓目前的3 d打印机,哈特联手贾米森去SM '15,谁现在在桌面上金属的机械工程师,和亚当·史蒂文斯SM '15,博士生在哈特的实验室,研究一些商业,基于挤压的台式机机型。他们得出的结论是他们所谓的建筑容积率分别由三个因素的限制:多大的力打印头可以应用,因为它推动通过喷嘴的材料;如何快速它可以将热量传递到材料得到它的融化和流动;如何快速打印机可移动打印头。

基于这些发现,他们设计了一台具有特殊的功能,处理所有这三个限制。在他们的新颖的设计,具有螺纹表面的长丝进入该保持它从加捻两个辊之间的打印头的顶部。它然后进入旋转螺母,其通过马达运行带接通并具有与上所述长丝中的外螺纹啮合的内螺纹的中心。当螺母转动时,它推动长丝分解成由金箔围绕的石英腔(见图1在幻灯片上文)。还有,激光从侧面进入,并且由金箔几次,每次穿过灯丝中心预热它反射。软化的长丝然后进入热金属块,其进一步加热(通过传导)到其熔点以上的温度。当它下降,熔融材料被进一步加热和变窄,并且最终通过喷嘴到打印床挤出。

该设计克服上的力和加热减缓电流3- d打印机的限制。在一个标准的打印机,灯丝是由两个小,旋转轮推动。增加更多的力量来加快速度,车轮失去牵引力和灯丝停止移动。这不是与新设计的一个问题。灯丝匹配的螺纹和螺母确保两者之间的最大接触。作为结果,系统可以传输高的力施加到长丝而不丧失其抓地力。

标准打印机也依赖于移动长丝和加热块之间的热传导,而该过程需要时间。在较高的进料速率,芯可以不完全熔化,用两个影响:通过喷嘴推动材料将是更硬,和挤出的材料可能不能很好地粘附到先前沉积的层。预热用激光灯丝确保灯丝彻底到达喷嘴时熔化。

试验表明,其新颖的打印头能够以长丝比标准的台式机型可以提供至少两个半倍的力量,它可以实现挤出速度那是更大的14倍。

给出如此高的挤出速率,研究人员需要找到一种方法来移动打印头速度不够快跟上。它们设计为具有的形状象一个“H”,并具有一个连续带,围绕供电由两个电机滑轮行进安装在固定框架上的金属悬挂式台架的机构。打印头上面坐其已连接到所述带,并通过每个平面内的规定的位置上迅速且顺利地进行的阶段。

测试新龙门,研究者它经受的测试电池。于一体,它们指挥它以不同的速度在两个位置之间执行连续回的往复运动和检查的它结束了其中的一致性。基于这些挑战,研究人员得出结论认为,龙门是足够快速和准确的完成工作。

制造测试对象

以证明他们的系统,该球队印刷了一系列的测试对象,包括在图2中在上面的幻灯片放映中所示的那些。打印的一对眼镜镜架就把3.6分钟,一个小螺旋杯刚刚超过6分钟,和螺旋伞齿轮(圆形齿轮,其与成角度的齿)约10分钟。对象的显微镜检查证实了的各个沉积层在0.2mm厚是高度均匀的,并且它们的机械性能的试验证实它们是强和鲁棒性。

锥齿轮的复杂形状使它成为特别好的测试受试者。所述内表面是锥形的,使得所述开放空间是在底部比顶部更宽。研究人员已经生产更复杂的形状,其具有更大的内部开口,并且所述机器成功创建与起初需要提供支承件和片固化后除去薄的固体腿。

更好地评估他们的打印机中,研究人员用它和几种商用台式机型打印相同的对象 - 三角棱镜20毫米高。对于可比较的分辨率(基于喷嘴的直径和高度层),它们的打印机取得的平均体积积聚速率高达比台式机型号高10倍。它甚至没有超过$ 100,000比有显著更大的打印头和运动系统工业规模的系统的三倍甚至更高,并降低成本。

研究人员已经鉴定和处理由高速沉积条件引入的问题。例如,在高积累率,他们发现,他们的层没有坚持好,形状有时会变得扭曲。引导冷却空气的受控流动到新沉积的材料来解决这些问题。他们还确定,它们应该能够提高激光与灯丝之间的耦合,获得更有效的加热。该团队还通过协调挤出速度和打印头的速度提高了系统的精度,并实现打印机新的控制算法。

研究人员还没有准备好估算其打印机的潜在成本。他们的原型系统成本约$ 15,000,其中三分之二来自于激光和电机。因此,它不可能代替目前的个人桌面系统。但它应该是具有成本竞争力的国家的最先进的专业系统,同时提供从输出速度更快降低运营成本。

纤维素原料

哈特的视觉3-d印刷的另一个重要组成部分是来处理丰富,环保材料的能力。 HART和塞巴斯蒂安·帕丁森,机械工程博士后前谁现在是在剑桥大学在英国大学的讲师展示了使用世界上最丰富的天然聚合物的技术:纤维素。

纤维素过流为基础的塑料原料提供了许多优势:它的价格低廉,生物可再生,可降解,机械稳健和化学多才多艺。此外,它被广泛用于药品,包装,服装,以及各种其它产品,其中许多可以使用3- d印刷定制的。

问题是,过去的努力,以3-d印刷纤维素在很大程度上是不成功的。纤维素分子之间的丰富氢键 - 这使得它强在植物中的事情 - 使得它不利于3- d打印。升温纤维素和它分解之前就变得足够的流动性从打印头的喷嘴中挤出。

解决这一问题,HART和帕丁森曾与醋酸纤维素,其具有更少的氢键的纤维素的化学处理的形式。他们首先溶解乙酸纤维素在丙酮溶剂中以形成粘稠的原料,其在室温下很容易地流过所述喷嘴打印机。随着混合物横跨打印床罩,丙酮溶剂迅速蒸发,留下的乙酸纤维素的后面。浸渍在氢氧化钠成品乙酸纤维素对象除去乙酸盐和恢复其氢键完全网络中的纤维素。

使用过程中,研究人员印刷复杂的对象他们的纤维素材料,和部件的力学特性均良好。的确,氢氧化钠处理后,其强度和刚度 - 在任何方向上测得的 - 均优于做出来的常用部件的使用3-d印刷材料。

哈特还指出,纤维素提供化学多功能性。 “你可以修改纤维素以不同的方式,例如,以增加其机械性能或添加颜色,”他说。

一个选项,研究人员探讨了添加抗菌性能。它们印刷一系列磁盘,一些从纯醋酸纤维素和一些用抗微生物染料加入的,并沉积含有溶液 即大肠杆菌 细菌中的每一个。他们然后像在实验室和医院使用的荧光灯泡留下了一些磁盘在黑暗中暴露别人的光。细菌在20小时后存活的分析表明,与染料制成,并暴露于光盘具有比其他细菌更少95%以上。作为一个样品,他们印制手术镊子 - 一个工具,可以在任何手术环境,让确保不育可能是一个问题非常有价值的。

哈特认为,通过它们的纤维素印刷工艺所带来的机会可能是商业利益。它采用一种商品,这是广泛使用,比典型的挤压丝材料更便宜。它发生在室温下,因此没有需要一个昂贵的热源,例如在前面描述的新颖的打印头中使用的激光。并且只要丙酮被捕获并再循环,该方法是环境友好的。

一个多成分

哈特希望这些和其他发展出来他的实验室将有助于推动3-d印刷。但有是一个的需要另一个关键因素:劳动力在两个添加剂制造技术和商业方面的知识渊博。

为此,他在教导添加制造,这是证明高度流行研究生级MIT类;而在2018年,他推出了通过MIT XPRO在线专业的课程,它的首次运行期间招收了近1200人。他还提供了一个为期五天,校园 澳门银河网游的短节目 这吸引了谁想要了解在他们的设计和制造业务使用的添加剂制造的全球参与者。

他现在是澳门银河网游领导的新 中心添加剂和数码先进的生产技术,并计划在作品研讨会在其成员将分享他们的知识,思想和体验。这些产品的热烈反响表明,哈特的3-d印刷和数字化设计和生产的视力可能最后是在它的途中到成为现实。

该研究是支持的,部分由洛克希德·马丁公司。塞巴斯蒂安·帕丁森是由美国国家科学基金会的科学,工程和教育的可持续性博士后奖学金支持。 

这篇文章最初出现在 2018秋 问题在于 能源期货, 澳门银河网游能源倡议的杂志。