3D-printen in de buurt van netvormdelen zonder nabewerking

Carnegie Mellon University Professor Rahul Panat en zijn team ontwikkelden een nieuw type 3D-geprint Brain-Computer Interface (of BCI) apparaat waar op maat gemaakte micropilaren de communicatiesignalen van neuronen opvangen toen ze op een onverwacht probleem stuitten: de micropilaren in de array gebogen tijdens het sinteren. Deze BCI-apparaten, nu “CMU Arrays” genoemd, stapelen miljoenen metalen nanodeeltjes in 3D-ruimte en sinteren, dwz samensmelten.

In een nogal dramatische illustratie, een time-lapse-film van hun experiment, openden de zilveren micropilaren zich op een zeer gecoördineerde manier als een bloeiende bloem tijdens het 12 uur durende sinterproces tot 150-300 ° C. Dit fenomeen was volkomen onverwacht, aangezien de sintertheorie geen permanente vervorming voorspelt, zelfs niet bij variabele temperaturen.

Panat leidde een interdisciplinair team van onderzoekers van Carnegie Mellon en de Washington State University op een zoektocht om niet alleen vast te stellen waarom er zo’n vervorming was, maar om, nog belangrijker, een manier te vinden om het onder controle te krijgen. Indien gecontroleerd, zou het onderzoek zelfs leiden tot ’s werelds eerste illustratie van sinteren als mechanisme van “4D-printen”, een relatief nieuwe discipline binnen additive manufacturing (AM) waarbij 3D-geprinte objecten worden getransformeerd in een andere vorm met behulp van bronnen zoals warmte, water, of andere omgevingsprikkels.

Door hun onderzoek heeft het team onomstotelijk bewezen dat massatransport nodig was om de permanente vormverandering te veroorzaken. Ze definieerden twee mogelijke mechanismen van vervorming en formuleerden een uniek continuümmodel dat nauwkeurig vervorming en parameters die deze beheersen, voorspelt. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in het laatste nummer van het tijdschrift Natuurcommunicatie Sandra Ritchie, een senior Ph.D. kandidaat Werktuigbouwkunde, is de hoofdstudent van de studie.

“Het is heel opwindend dat we een fundamenteel probleem in additieve fabricage hebben kunnen oplossen dat de belangrijkste barrière vormde om onderdelen met AM te bereiken die bijna dezelfde vorm hebben. Dergelijke onderdelen vereisen geen aanvullende bewerking, wat de kosten verlaagt en energie bespaart”, aldus Panat, die voegde eraan toe: “Het idee van sinteren als een manier om 4D-printen te bereiken, zal nieuwe onderzoeksrichtingen openen.” Aangezien de huidige inspanningen om vervorming bij 3D-printen te verminderen grotendeels beperkt zijn tot vervelende trial-and-error-benaderingen, zou het oplossen van dit probleem een ​​belangrijke factor kunnen zijn voor het bevorderen van additive manufacturing-technologie.

De experimenten met micropilaren waren opwindend, maar om de vormverandering tot één richting te beperken, bedachten de auteurs een nieuwe reeks experimenten om microwanden van 20 en 35 μm dik te maken. Optische beeldvorming zou dan kunnen worden gebruikt om de vervorming (in dit geval buiging) nauwkeurig te meten. Zoals het geval was met de micropilaren, nam de kromming van de microwalls toe naarmate het sinteren vorderde om een ​​piekwaarde te bereiken, alvorens een mild herstel te vertonen. Thermische metingen toonden aan dat de microwalls altijd naar de hetere kant buigen, wat wijst op massatransport via differentieel sinteren.

Dit onderzoek behandelt een fundamentele kwestie in additive manufacturing en zal naar verwachting onderzoek openen dat Panat hoopt voort te zetten in operando-microscopie om massatransport tijdens vervorming te observeren, temperatuurregeling om 4D-printen op verschillende configuraties te bereiken, en de ontwikkeling van modellen die vormverandering voorspellen. voor complexe vormen zoals verwacht zou worden in grote onderdelen voor industrieën zoals lucht- en ruimtevaartconstructies.