دیوید دیزنروت ، مهندس مکانیک در NIST ، روشهای بهبود چاپ سه بعدی فلزی را بررسی می کند.
اعتبار: M. King/nist
حتی اگر تا به حال از “سوزاننده سبک” نشنیده اید ، احتمالاً آنها را دیده اید. آنها الگوهای اثیری از نور هستند که کف استخرهای شنا را می پوشند و سایه های شیشه را می شکنند. در هر کجا نور خم شده و یا توسط یک سطح خمیده منعکس می شود ، می تواند سوزاننده ظاهر شود.
این ترفند نور به نظر می رسد ابزاری مهم برای فلز چاپ سه بعدی است ، فرایندی که در آن لیزرهای پر قدرت پودر فلزی را در یک زمان ذوب می کنند. دانشمندان NIST دریافتند که بازتاب های سوز آور از این لیزرها حاوی سرنخ هایی در مورد شکل میکروسکوپی فلز هستند.
این تحقیق به ما بینش های هرگز در زمان واقعی در مورد چاپ سه بعدی فلزی می دهد.
چاپ سه بعدی فلزی چیست؟
بیشتر چاپگرهای سه بعدی فلزی با تخمگذار یک لایه نازک از پودر فلزی ، با استفاده از لیزر برای ذوب آن پودر به شکل جامد ، سپس یک لایه جدید پودر و تکرار روند کار می کنند.
انسانها چیزهایی را از فلز بیرون آورده اند هزاران سال و راه هایی برای ساختن فلز به شکل خاصی ارائه شده است: جعل ، تمبر ، خم و بسیاری دیگر. چاپ سه بعدی آنها را جایگزین نمی کند ، اما چند مزیت منحصر به فرد دارد که می تواند شیوه فکر کردن در مورد آنچه ممکن است با فلزات ایجاد شود تغییر دهد.
ابتدا ، چاپ سه بعدی باعث می شود داخل و خارج از قسمت به طور همزمان. این کار چاپ سه بعدی را قادر می سازد اشکال پیچیده ای ایجاد کند که با روش های دیگر امکان پذیر نیست. این بدان معنی است که شما می توانید چاپ سه بعدی یک قسمت در غیر این صورت نیاز به ساخت چندین قطعه در کنار هم دارد.
اعتبار:
D. Deisenroth/nist
یکی دیگر از مزیت های بزرگ انعطاف پذیری است. بیشتر تکنیک های تولید فلز برای تولید انبوه طراحی شده اند. آنها برای هر قسمت جدیدی که می خواهید بسازید ، به قالب های گران قیمت ، می میرد یا ابزاری دارند. در اصل ، شما باید برای هر قسمت جدیدی که می خواهید بسازید ، کارخانه را سفارشی کنید. خوب است اگر قصد دارید نسخه های یکسان بسیاری از این قسمت را تهیه کنید. اما گاهی اوقات شما فقط می خواهید یکی از مواردی را بسازید ، مانند کاشت پزشکی این شکل برای متناسب با یک شخص خاص ، یک قسمت جایگزین منحصر به فرد برای a راکتور هسته ای، یا نمونه اولیه برای یک اختراع جدید قبل از اینکه به تولید انبوه متعهد شود ، کینک ها را از بین ببرد.
اما فلز چاپ شده سه بعدی یک فناوری جدید است و هر بار نتایج کاملاً کامل نمی شود. گاهی اوقات فرآیند چاپ نقص های کوچکی را ایجاد می کند که قسمت را ضعیف تر می کند. پیدا کردن و تصحیح آن نقص در حالی که چاپ در حال وقوع است یکی از بزرگترین چالش های چاپگرهای فلزی سه بعدی است.
بخشی از مأموریت NIST تقویت تولید آمریکایی از طریق تحقیقات است. بنابراین ، دانشمندان ما در جستجوی نقص در حال مطالعه چاپ سه بعدی فلزی هستند. حل این مشکل می تواند چاپگرهای سه بعدی فلزی را سازگارتر و قابل اعتماد تر کند.
اما نگاهی بسیار نزدیک به چاپ سه بعدی فلزی آسان نیست. در کنار این غیرممکن است که ببینیم در داخل دستگاه چه می گذرد. این تا حدی به این دلیل است که چاپگرهای سه بعدی فلزی از سخت افزار جدی استفاده می کنند که برای ایمنی باید در آن موجود باشد.
اول ، پودر وجود دارد. برخی از پودرهای مورد استفاده سمی برای تنفس و لمس سمی هستند و برخی از انواع پودرهای ریز می توانند باشند منفجر کننده در شرایط مناسب اگر ذرات به هوا لگد شوند ، سطح سطح بالا باعث می شود ذرات به راحتی مشتعل شوند. این یک نگرانی جدی در مورد ایمنی در مکانهایی مانند آسیاب آرد ، کارخانه های اره و معادن زغال سنگ است. اگرچه شما به طور معمول از فلز به عنوان قابل اشتعال فکر نمی کنید ، بسیاری از فلزات می توانند بسوزند و به راحتی به عنوان یک پودر مشتعل می شوند.
برای جلوگیری از انفجار و متوقف کردن خوردگی ، کل فرایند چاپ باید با دقت در جعبه گاز بی اثر قرار گیرد. خود لیزرها به اندازه کافی قدرتمند هستند که کور شوند و نمی توان مستقیماً مورد بررسی قرار گرفت. و البته پایان کار لیزر بسیار داغ می شود.
مانند هر فرآیند تولید ، چاپ سه بعدی فلزی با اقدامات احتیاطی مناسب ایمن است. اما این شرایط شدید ، مشاهده آنچه در طول چاپ اتفاق می افتد را دشوار می کند.
چیزهای زیادی برای دیدن وجود دارد. در ناحیه ریز در انتهای لیزر ، پودر فلزی درون یک گودال سفید و خاردار به نام استخر ذوب ذوب می شود. یک طوفان مینیاتوری ناشی از گرمای ناگهانی ، ابرهای پودر سرد و فلز مذاب را پاشیده می کند. مقداری از فلز موجود در سطح استخر فوراً در یک گاز تبخیر می شود و به داخل هوا می رود. این روند بسیار هرج و مرج است، شگفت آور است که اصلاً کار می کند.
دیوید دیزنوروت ، مهندس مکانیک NIST گفت: “نظارت بر نحوه چاپ در زمان واقعی بسیار مفید خواهد بود.” “آیا این قسمت بیش از حد داغ می شود؟ آیا نقص وجود دارد؟ ما می خواهیم بتوانیم چاپگر را برای رفع این مشکلات تنظیم کنیم زیرا این امر به قسمت های قوی تر و سازگار تر منجر می شود.”
اعتبار:
M. King/nist
پیدا کردن سوراخ های کلیدی
وقتی صحبت از دمای استخر ذوب در چاپ سه بعدی فلزی می شود ، یک نوع اصل Goldilocks وجود دارد. خیلی سرد است ، و پودر کاملاً با هم فیوز نمی شود. خیلی گرم است ، و شما تمایل دارید نقص هایی به نام “منافذ سوراخ کلید” بدست آورید.
یک سوراخ کلید گاهی اوقات هنگام تبخیر فلز در سطح استخر ذوب ، گودال را به قسمت فلزی فشار می دهد. با شلیک فلز تبخیر شده ، یک نیروی مساوی و مخالف سطح استخر را به سمت پایین سوق می دهد.
Deisenroth توضیح داد: “سوراخ کلید موجود در فلز مذاب می تواند به خودی خود فرو ریخته شود و یک منافذ در مواد را پس از خنک شدن به جا بگذارد.”
با کاهش شدت لیزر هنگام شروع به شکل گیری ، می توان از منافذ سوراخ کلید جلوگیری کرد ، اما گرفتن عمل سخت است. نقص از عرض موهای انسان کوچکتر است. آنها همچنین در کسری از ثانیه ، در وسط استخر کور کننده از فلز مایع ، زیر یک لیزر با قدرت بالا ، در یک جعبه محکم هوا از پودر سمی اتفاق می افتد.
اگر او فرصتی برای گرفتن آنها در زمان واقعی می خواست ، Deisenroth مجبور شد خلاقیت پیدا کند.
در طی فرآیند چاپ ، برخی از نور لیزر سطح فلز را منعکس می کند. الگوی این بازتاب می تواند اطلاعاتی در مورد شکل سطح فلز مایع ارائه دهد.
Deisenroth یک چاپگر سه بعدی فلزی خاص ساخته است که می تواند برای آزمایشات به نام A استفاده شود بستر تستبشر وی تصمیم گرفت تا از این تختخواب آزمایشی استفاده کند تا بازتاب های لیزر را تا حد امکان ثبت کند.
Deisenroth بستر تست را با یک گنبد توخالی در مورد اندازه و شکل یک بسکتبال به نصف مجهز کرد. آن گنبد که در ابتدا به عنوان یک دکوراسیون معماری فروخته می شود ، نمونه فلزی را که با لیزر ذوب می شود ، پوشش می دهد. این یک شکاف کوچک در بالای آن وجود دارد که لیزر می تواند از آن عبور کند. این گنبد برای گرفتن تمام سوزاننده های سبک منعکس شده توسط لیزر طراحی شده است ، به همان روشی که قسمت زیرین یک پل نور را که از رودخانه منعکس شده است ، جلب می کند.
اعتبار:
کریس راولینز/شاتترستاک
وی گفت: “بزرگترین چالش ایجاد یک پوشش برای قسمت داخلی گنبد بود که فقط یک بار نور لیزر را منعکس می کرد. اگر گنبد خیلی بازتاب دهنده بود ، نور بارها و بارها به نظر می رسید و یکنواخت به نظر می رسید. اگر به اندازه کافی بازتاب دهنده نباشد ، ما اصلاً نوری نمی بینیم.”
Deisenroth با گرفتن ویدئوی پر سرعت از داخل این گنبد ، می تواند مطمئن باشد که او تمام نور را که بازتاب استخر ذوب فلزی است ، دید.
آزمایش موفقیت آمیز بود! دیزنروت دریافت که او می تواند از لیزر منعکس شده برای تعیین اینکه آیا یک سوراخ کلید در حال شکل گیری است و تخمین می زند که چقدر عمیق است ، استفاده کند.
این آزمایش فقط اولین قدم برای اثبات این بود که این ایده کار می کند. Deisenroth قصد دارد تا در آزمایش های آینده اندازه گیری را بهبود بخشد. به عنوان مثال ، دوربینی که او استفاده کرده است با 60،000 فریم در ثانیه تصاویر می گیرد. این بسیار سریع است – ویدیوی معمولی تصاویر را با 30 فریم در ثانیه چشمک می زند. اما حتی در آن سرعت های قاب باورنکردنی ، بازتاب های نور لیزر هنوز سریعتر هستند و این فیلم کمی تند و تیز است. او دوست دارد با یک دوربین حتی سریعتر ، حداکثر 825،000 فریم در ثانیه ضبط کند.
این فناوری کاملاً آماده استفاده در یک چاپگر سه بعدی تجاری نیست. گنبد بازتابی مسافتی را که لیزر می تواند به چند سانتی متر سفر کند محدود می کند ، بنابراین با چاپ اشیاء بزرگتر قابل استفاده نیست.
اما به دست آوردن اندازه گیری ها تا حد امکان در اینجا در NIST درک کلی از بازتاب های لیزر را پیشرفت کرده است. این تحقیق به طراحی روشهای جدید برای استفاده از بازتاب های لیزر برای نظارت بر چاپگرهای سه بعدی فلزی کمک می کند.
به عنوان مثال ، یک ایده این است که کمی قرار دهید بازتابنده های ماهواره ای مانند در گوشه های چاپگر برای اندازه گیری نور لیزر منعکس شده. اما ابزارهایی از این دست بدون تحقیقات اساسی مانند این امکان پذیر نخواهد بود.
برای قرار دادن همه اینها ، اولی 2D چاپگر لیزر برای کاغذ بود اندازه مینی بوسبشر این هزینه در پول امروز نزدیک به 1 میلیون دلار هزینه داشت و به یک تکنسین ویژه برای فعالیت نیاز داشت. این تنها 50 سال پیش بود.
یک چاپگر اداری مدرن اکنون بخشی از اندازه و 1000 برابر ارزان تر است. در نهایت ، با کاهش نقص ، فناوری Deisenroth می تواند چاپ سه بعدی فلزی را آسان تر ، ارزان تر و قابل اطمینان تر کند. کار او می تواند این روند را در اختیار صنایع جدید و مشاغل کوچکتر قرار دهد.
در این میان ، Deisenroth کار خود را با اندازه گیری به ظاهر ادامه خواهد داد غیرممکن
Deisenroth گفت: “چیزی واقعاً هیجان انگیز در مورد دیدن آنچه در غیر این صورت دیده نمی شود وجود دارد.” “لیزرهایی که ما استفاده می کنیم برای چشم نامرئی است و بازتاب آنقدر سریع حرکت می کند که فقط می توانید آنها را با یک دوربین پر سرعت مشاهده کنید. شگفت آور است که فکر می کنیم می توانیم این سوزناک ها را در عمل ضبط کنیم و معنا از آنها بکشیم.”
Source link