Stampa 3D rapida con metallo liquido

I ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) hanno sviluppato una tecnica di produzione additiva in grado di stampare rapidamente con metallo liquido, producendo parti su larga scala come gambe di tavoli e telai di sedie in pochi minuti. La loro tecnica, chiamata stampa di metalli liquidi (Liquid Metal Printing - LMP), prevede il deposito dell'alluminio fuso lungo un percorso predefinito in un letto di minuscole perle di vetro. L'alluminio si indurisce rapidamente in una struttura 3D.

I ricercatori affermano che l’LMP è almeno 10 volte più veloce di un processo di produzione additivo metallico comparabile e che la procedura per riscaldare e fondere il metallo è più efficiente di altri metodi.

La tecnica sacrifica la risoluzione a favore della velocità e della scala. Sebbene sia in grado di stampare componenti più grandi di quelli generalmente realizzati con tecniche additive più lente e a un costo inferiore, non può raggiungere risoluzioni elevate.

Ad esempio, le parti prodotte con LMP sarebbero adatte per alcune applicazioni in architettura, edilizia e design industriale, dove i componenti di strutture più grandi spesso non richiedono dettagli estremamente fini. Potrebbe anche essere utilizzato in modo efficace per la prototipazione rapida con metalli riciclati o di scarto.

In uno studio recente, i ricercatori hanno dimostrato la procedura stampando telai in alluminio e parti per tavoli e sedie sufficientemente robusti da resistere alla lavorazione poststampa. Hanno mostrato come i componenti realizzati con LMP possano essere combinati con processi ad alta risoluzione e materiali aggiuntivi per creare mobili funzionali.

«Questa è una direzione completamente diversa nel modo in cui pensiamo alla produzione di metalli che presenta alcuni enormi vantaggi. Ha anche degli svantaggi. Ma la maggior parte del nostro mondo costruito – le cose intorno a noi come tavoli, sedie ed edifici – non necessita di una risoluzione estremamente elevata. Velocità e scala, ma anche ripetibilità e consumo energetico, sono tutti parametri importanti», afferma il dottor Skylar Tibbits (1), professore associato presso il Dipartimento di Architettura e co-direttore del Self-Assembly Lab, autore senior di un articolo che introduce la tecnica Liquid Metal Printing (LMP) (2).

Tibbits è affiancato nell'articolo dall'autore principale Zain Karsan SM '23, che ora è dottorando presso l'ETH di Zurigo; così come Kimball Kaiser SM '22 e Jared Laucks, ricercatore e co-direttore del laboratorio. La ricerca è stata presentata alla conferenza dell'Association for Computer Aided Design in Architecture e recentemente pubblicata negli atti dell'associazione.

Notevole accelerazione

Un metodo per la stampa con metalli comune nell'edilizia e nell'architettura, chiamato produzione additiva con arco a filo (wire arc additive manufacturing - WAAM), è in grado di produrre strutture di grandi dimensioni a bassa risoluzione, ma queste possono essere soggette a crepe e deformazioni perché alcune porzioni devono essere rifuse durante il processo di stampa.

LMP, invece, mantiene il materiale fuso durante tutto il processo, evitando alcuni dei problemi strutturali causati dalla rifusione.

Basandosi sul precedente lavoro del gruppo sulla stampa rapida di liquidi con gomma (3), i ricercatori hanno costruito una macchina che fonde l'alluminio, trattiene il metallo fuso e lo deposita attraverso un ugello ad alta velocità. È possibile stampare parti di grandi dimensioni in pochi secondi e poi l'alluminio fuso si raffredda in pochi minuti.

«La nostra velocità di processo è davvero elevata, ma è anche molto difficile da controllare. È più o meno come aprire un rubinetto. Hai un grande volume di materiale da sciogliere, il che richiede un po' di tempo, ma una volta che riesci a scioglierlo, è proprio come aprire un rubinetto. Ciò ci consente di stampare queste geometrie molto rapidamente», spiega Karsan.

Il team ha scelto l’alluminio perché è comunemente utilizzato nell’edilizia e può essere riciclato in modo economico ed efficiente.

Pezzi di alluminio delle dimensioni di una pagnotta vengono depositati in un forno elettrico, «che è fondamentalmente come un tostapane in scala», aggiunge Karsan. Le bobine di metallo all'interno del forno riscaldano il metallo a 700 gradi Celsius, leggermente al di sopra del punto di fusione dell'alluminio a 660 gradi.

L'alluminio viene mantenuto ad alta temperatura in un crogiolo di grafite, quindi il materiale fuso viene alimentato per gravità attraverso un ugello ceramico in un piano di stampa lungo un percorso preimpostato. Hanno scoperto che maggiore è la quantità di alluminio che riescono a sciogliere, più veloce può andare la stampante.

«L’alluminio fuso distruggerà praticamente tutto ciò che incontra sul suo cammino. Abbiamo iniziato con ugelli in acciaio inossidabile per poi passare al titanio prima di finire con la ceramica. Ma anche gli ugelli in ceramica possono ostruirsi perché il riscaldamento non è sempre del tutto uniforme nella punta dell’ugello», spiega Karsan.

Iniettando il materiale fuso direttamente in una sostanza granulare, i ricercatori non hanno bisogno di stampare supporti per sostenere la struttura di alluminio mentre prende forma.

Perfezionamento del processo

Hanno sperimentato una serie di materiali per riempire il piano di stampa, tra cui polveri di grafite e sale, prima di selezionare perle di vetro da 100 micron. Le minuscole perle di vetro, che possono resistere alla temperatura estremamente elevata dell'alluminio fuso, agiscono come una sospensione neutra in modo che il metallo possa raffreddarsi rapidamente.

«Le perle di vetro sono così fini che in mano sembrano seta. La polvere è così piccola che non modifica realmente le caratteristiche della superficie dell'oggetto stampato», afferma Tibbits.

La quantità di materiale fuso contenuto nel crogiolo, la profondità del piano di stampa, la dimensione e la forma dell'ugello hanno il maggiore impatto sulla geometria dell'oggetto finale.

Ad esempio, le parti dell'oggetto con diametri maggiori vengono stampate per prime, poiché la quantità di alluminio erogata dall'ugello diminuisce man mano che il crogiolo si svuota. Cambiando la profondità dell'ugello si altera lo spessore della struttura metallica.

Per facilitare il processo LMP, i ricercatori hanno sviluppato un modello numerico per stimare la quantità di materiale che verrà depositato nel piano di stampa in un dato momento.

Poiché l'ugello spingeva nella polvere di perle di vetro, i ricercatori non potevano osservare l'alluminio fuso mentre si depositava, quindi avevano bisogno di un modo per simulare ciò che poteva accadere in determinati punti del processo di stampa, spiega Tibbits.

Hanno utilizzato LMP per produrre rapidamente telai in alluminio con spessori variabili, sufficientemente resistenti da resistere a processi di lavorazione come fresatura e alesatura. Hanno dimostrato una combinazione di LMP e queste tecniche di post-elaborazione per realizzare sedie e un tavolo composti da parti in alluminio a bassa risoluzione stampate rapidamente e altri componenti, come pezzi di legno.

Andando avanti, i ricercatori vogliono continuare a eseguire operazioni sulla macchina in modo da poter consentire un riscaldamento costante nell'ugello per evitare che il materiale si attacchi e ottenere anche un migliore controllo sul flusso di materiale fuso. Ma diametri degli ugelli maggiori possono portare a stampe irregolari, quindi ci sono ancora sfide tecniche da superare.

«Se potessimo rendere questa macchina qualcosa che le persone possano effettivamente utilizzare per fondere l’alluminio riciclato e stampare parti, ciò cambierebbe le regole del gioco nella produzione dei metalli. Al momento non è abbastanza affidabile per farlo, ma questo è l'obiettivo», afferma Tibbits.

«In Emeco veniamo dal mondo della produzione molto analogica, quindi vedere la stampa a metallo liquido creare geometrie sfumate con il potenziale per parti completamente strutturali è stato davvero avvincente», afferma la dottoressa Jaye Buchbinder (4), che guida lo sviluppo aziendale per l'azienda di mobili Emeco ed è stato non coinvolta in questo lavoro. «La stampa a metallo liquido è davvero all'avanguardia in termini di capacità di produrre parti metalliche in geometrie personalizzate mantenendo tempi di consegna rapidi che normalmente non si ottengono con altre tecnologie di stampa o formatura. Esiste sicuramente il potenziale per la tecnologia di rivoluzionare il modo in cui vengono attualmente gestite la stampa e la formatura dei metalli».

Altri ricercatori che hanno lavorato a questo progetto includono Kimball Kaiser, Jeremy Bilotti, Bjorn Sparrman, Schendy Kernizan e Maria Esteban Casanas. Questa ricerca è stata finanziata, in parte, da Aisin Group, Amada Global ed Emeco.

Riferimenti:

(1) Skylar Tibbits

(2) Liquid Metal Printing (LMP)

(3) rapid liquid print company

(4) Jaye Buchbinder

Descrizione foto: I ricercatori del MIT hanno sviluppato una tecnica di produzione additiva in grado di stampare rapidamente con metallo liquido, producendo parti su larga scala come gambe di tavoli e telai di sedie in pochi minuti. - Credit: Laboratorio di autoassemblaggio del MIT.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Researchers demonstrate rapid 3D printing with liquid metal