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Laserumkehr kann den 3D-Druck mehrerer Materialien realisieren

Der 3D-Druck nutzt digitale Fertigungsverfahren, um Bauteile herzustellen, die leicht, stabil und ohne Spezialwerkzeug herstellbar sind. In den letzten zehn Jahren hat der Bereich ein erstaunliches Wachstum erlebt, der jedes Jahr um mehr als 20 % gewachsen ist und Metalle und technische Polymere verwendet, um alles von Flugzeugteilen und Automobilteilen bis hin zu medizinischen und zahnmedizinischen Implantaten zu drucken.

Selektives Lasersintern (SLS) ist eines der am weitesten verbreiteten Herstellungsverfahren. Mit einem Laser werden Teile aus mikrometergroßen Materialpulvern gedruckt: Der Laser erhitzt die Partikel so weit, dass sie zu einem Festkörper verschmelzen.

„Additive Fertigung ist der Schlüssel zur wirtschaftlichen Widerstandsfähigkeit“, sagte Professor Hod Lipson. „Wir alle achten auf diese Technologie, sie wird uns retten. Aber es gibt eine Falle.“

Laserumkehr kann den 3D-Druck mehrerer Materialien realisieren

Es ist erwähnenswert, dass die SLS-Technologie auf das Drucken mit jeweils nur einem Material beschränkt ist: Das gesamte Teil kann nur aus einer Pulversorte hergestellt werden. Lipson fuhr fort: „Nun, ich frage Sie, wie viele Produkte aus nur einem Material bestehen? Die Beschränkung des Druckens mit nur einem Material hat die gesamte Branche geplagt und ihre Entwicklung behindert, so dass es unmöglich ist, ihr gesamtes Potenzial auszuschöpfen.“

Lipson und sein Doktorand John Whitehead wollten wissen, wie man diese Herausforderung löst und ihre Expertise in der Robotik nutzen, um einen neuen Weg zu entwickeln, um diese SLS-Einschränkungen zu überwinden. Durch Umkehren des Lasers, um nach oben zu zeigen, erfanden sie eine Möglichkeit, SLS dazu zu bringen, mehrere Materialien gleichzeitig zu verwenden. Ihre funktionierenden Prototypen sowie gedruckte Muster, die zwei verschiedene Materialien in derselben Schicht enthalten, wurden kürzlich durch additive Fertigung („multi-material inverted laser sintering“) online veröffentlicht.

Whitehead, der Hauptautor der Studie, sagte: „Unsere vorläufigen Ergebnisse sind spannend, weil sie implizieren, dass in Zukunft jedes Teil auf Knopfdruck hergestellt werden kann, von einfachen Werkzeugen bis hin zu komplexeren Systemen (wie Robotern). Nehmen Sie es aus einem Drucker heraus, der nicht vollständig zusammengebaut werden muss.“

Herkömmlicherweise beinhaltet das selektive Lasersintern die Verwendung eines Lasers, der nach unten auf ein erhitztes Druckbett gerichtet ist, um Materialpartikel miteinander zu verschmelzen. Um ein festes Objekt von unten nach oben aufzubauen, legt der Drucker eine gleichmäßige Pulverschicht auf und verwendet einen Laser, um bestimmte Materialien in der Schicht selektiv zu schmelzen. Dann trägt der Drucker die zweite Pulverschicht auf der ersten Schicht auf, und der Laser schmilzt das neue Material auf das Material der vorherigen Schicht und wiederholt diesen Vorgang dann wiederholt, bis das Teil fertig ist.

Wenn im Druckprozess nur ein Material verwendet wird, funktioniert dieser Prozess gut. Die Verwendung mehrerer Materialien in einem Druck ist jedoch eine große Herausforderung, da die Pulverschicht, sobald sie auf dem Bett aufgebracht ist, nicht abgelegt oder durch andere Pulver ersetzt werden kann.

Whitehead fügte hinzu: „Außerdem“ in einem Standarddrucker, da jede aufeinanderfolgende Schicht gleichmäßig platziert wird, wird das ungeschmolzene Material Ihre Sicht auf das gedruckte Objekt verdecken, bis Sie das fertige Produkt am Ende des Zyklus herausnehmen. Betrachten Sie den Aushub und wie Sie sicher sein können, dass das Produkt intakt ist, bis es vollständig aus dem umgebenden Schmutz entfernt ist. Dies bedeutet, dass Druckfehler nicht unbedingt vor Abschluss des Druckvorgangs gefunden werden, was Zeit und Geld verschwendet. “

Die Forscher beschlossen, einen Weg zu finden, um den Bedarf an Pulverbetten vollständig zu eliminieren. Sie stellten mehrere transparente Glasplatten auf, die jeweils mit einer dünnen Schicht unterschiedlichen Kunststoffpulvers beschichtet wurden. Sie senkten die Druckplattform auf die obere Oberfläche eines Pulvers und führten dann den Laserstrahl unter der Druckplatte durch die Unterseite der Druckplatte. Dieser Prozess sintert in einem vorprogrammierten Modus gemäß der virtuellen Blaupause selektiv etwas Pulver auf die Druckplattform. Verwenden Sie dann das geschmolzene Material, um die Plattform anzuheben und zu einer anderen mit einem anderen Pulver beschichteten Platte zu bewegen, und wiederholen Sie dann den Vorgang. Dadurch können mehrere Materialien zu einer einzigen Schicht kombiniert oder gestapelt werden. Füllen Sie gleichzeitig die alten verbrauchten Druckplatten wieder auf.

In diesem Papier verwendete das Team thermoplastisches Polyurethan (TPU)-Pulver mit einer durchschnittlichen Schichthöhe von 43.6 Mikrometern, um 50-Schichten-dicke, 2.18-mm-Proben und Nylon- und TPU-Drucke mit einer durchschnittlichen Schichthöhe von Multimaterialien zu erzeugen, und demonstrierte ihre Funktionierender Prototyp. Diese Teile demonstrieren nicht nur die Durchführbarkeit des Verfahrens, sondern demonstrieren auch die Fähigkeit, stärkere, dichtere Materialien herzustellen, indem die Stahlplatte während des Sinterns gegen die hängenden Teile gedrückt wird.

„Diese Technologie hat das Potenzial, eingebettete Schaltungen, elektromechanische Komponenten und sogar Roboterkomponenten zu drucken. Sie kann Gradientenlegierungen verwenden, um mechanische Teile herzustellen. Die Materialzusammensetzung dieser Legierungen wird sich mit End-to-End-Änderungen, wie beispielsweise Turbinenschaufeln, allmählich ändern. Das Material wird für den Kern und das andere Material für die Oberflächenbeschichtung verwendet.“ Wir denken, dass dies die Herstellung komplexer Multimaterial-Teile ohne Montage ermöglicht und damit das Lasersintern auf ein breiteres Branchenspektrum ausdehnen wird. Mit anderen Worten, dies könnte der Schlüssel sein, um die additive Fertigungsindustrie vom Drucken nur passiver einheitlicher Teile zum Drucken aktiver integrierter Systeme zu bewegen. “

Forscher experimentieren jetzt mit Metallpulvern und -harzen, um direkt Teile mit einem breiteren Spektrum an mechanischen, elektrischen und chemischen Eigenschaften als herkömmliche SLS-Systeme herzustellen.

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