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Gli studenti della Rice University hanno costruito una stampante 3D per metalli a getto freddo a basso costo

Il Team AeroForge ha realizzato il dispositivo, che si basa sulla pressione e sulla velocità, piuttosto che sulla temperatura, per meno di 5.000 dollari

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Secondo la Rice University, un team di studenti (team “AeroForge”) ha sviluppato un dispositivo di stampa 3D in metallo a getto freddo che si basa sulla pressione e sulla velocità, piuttosto che sulla temperatura, per creare parti metalliche. Il loro lavoro potrebbe aiutare ad espandere il repertorio delle tecniche di produzione additiva dei metalli, riducendo i costi e migliorando la qualità della produzione o della riparazione di parti metalliche complesse una tantum.

I membri del team AeroForge, tra cui Eli Case, Julianna Dickman, Garrett French, Galio Guo, Douglas Hebda, Grant Samara, Davis Thames e Aasha Zinke, hanno utilizzato il dispositivo per depositare con successo il rame, dimostrando la fattibilità e il potenziale del loro prototipo. Il progetto ha vinto un Excellence in Capstone Engineering Award e il primo posto nel Willy Revolution Award for Outstanding Innovation all’annuale Huff OEDK Engineering Design Showcase.

“Siamo molto emozionati e sollevati”, ha detto Dickman. “Abbiamo trascorso molte nottate nella Oshman Engineering Design Kitchen ed è molto gratificante essere riconosciuti per il nostro lavoro”. Il progetto del Team AeroForge è anche il destinatario dell’Hershel M. Rich Invention Award di quest’anno, che viene assegnato agli studenti di ingegneria o ai membri della facoltà della Rice per lo “sviluppo di invenzioni originali”.

Secondo la Rice University, un team ha sviluppato un dispositivo AM in metallo a spruzzo freddo che si basa sulla pressione e sulla velocità

“Le tradizionali stampanti 3D per metalli utilizzano generalmente un laser per fondere la polvere di metallo in una forma particolare, ma la fusione può davvero avere un impatto sulle proprietà del prodotto”, ha affermato Zinke. “La tecnologia a getto freddo, utilizzata per i rivestimenti, utilizza la velocità invece del calore, accelerando sostanzialmente le particelle metalliche così velocemente da farle aderire e deformarsi su un substrato. Il sistema che abbiamo progettato mira a raggiungere questo obiettivo in termini di capacità di stampa 3D”.

Le applicazioni del dispositivo includono la produzione e la riparazione di parti metalliche con una struttura complessa, come componenti utilizzati nelle catene di montaggio industriali o nei veicoli o negli aerei. Le industrie che fanno affidamento su componenti metallici – automobilistica, petrolifera e del gas, difesa, ecc. – possono subire perdite significative a causa delle interruzioni della catena di fornitura. Il team spera che il suo dispositivo possa fornire un’alternativa praticabile e a basso costo per realizzare o riparare parti su richiesta.

Thames, che per primo ha presentato l’idea del progetto a un compagno di squadra quasi un anno prima dell’inizio del corso di progettazione senior presso la Rice University, ha spiegato i vantaggi dell’utilizzo della stampante 3D a getto freddo per metalli rispetto alla saldatura. “In genere, durante le riparazioni, è possibile rimuovere il materiale solo mentre si rimodella una parte metallica”, ha affermato Thames. “Ma con questo processo è possibile aggiungere materiale e poi rilavorarlo. Nel caso della saldatura, ad esempio, la variazione della temperatura di fusione può comportare proprietà del materiale non uniformi. Non abbiamo questo problema con questo dispositivo”.

Il dispositivo è costituito da un serbatoio di gas che immette nel sistema azoto ad alta pressione; controlli che regolano le valvole e monitorano la pressione e la temperatura; un recipiente a pressione che riscalda il gas a 450°C (842 Fahrenheit); un alimentatore di polvere progettato per erogare polvere metallica in un ugello ad una velocità precisa; e un ugello personalizzato.

Secondo la Rice University, un team ha sviluppato un dispositivo AM in metallo a spruzzo freddo che si basa sulla pressione e sulla velocità

Dickman ha spiegato che, anche se il gas viene riscaldato, “è pur sempre un sistema di spruzzatura fredda perché quando il gas incontra la polvere nell’ugello, si espande fuori dall’ugello e si raffredda molto rapidamente… Le particelle non si sciolgono mai, non si vedono mai.” temperatura – la temperatura serve solo ad aumentare la velocità del gas, che trasmette la sua quantità di moto alla polvere metallica, che può quindi accelerare sul nostro substrato e aderire”.

Gran parte degli sforzi del team si sono concentrati sulla riduzione dei costi, dal momento che molte stampanti 3D in metallo possono costare oltre 1 milione di dollari. Il Team AeroForge ha costruito il suo dispositivo per meno di 5.000 dollari.

“Una delle nostre grandi innovazioni qui è rendere il sistema molto più economico”, ha affermato Samara. “Molti dei nostri pezzi sono stati lavorati internamente, ad esempio il recipiente a pressione, perché è potenzialmente una cosa molto pericolosa. Altre parti, come l’ugello, sono proprietarie, quindi non è qualcosa che puoi trovare altrove. L’ugello è una parte molto difficile da produrre, abbiamo dovuto sviluppare nuovi processi per realizzarlo”.

Le polveri metalliche sono pericolose se inalate e il funzionamento con gas pressurizzato aggiunge anche un altro livello di considerazioni sulla sicurezza. Il team ha collaborato con il dipartimento di salute e sicurezza ambientale della Rice per assicurarsi che venissero rispettate tutte le linee guida durante i test. Una delle norme di sicurezza prevede che nessuno possa sostare nella stanza mentre l’impianto è in funzione. Per garantire la sicurezza, il team ha implementato un complesso sistema di monitoraggio e un sistema di registrazione dei dati in tre parti.

“Abbiamo implementato molti controlli di sicurezza”, ha detto Guo. “Ad esempio, esiste una gerarchia particolare in cui puoi effettivamente aprire gli interruttori. Comunichiamo con il dispositivo in modalità wireless, quindi abbiamo eseguito molte iterazioni del codice per assicurarci che funzioni in modo efficace”.

Case, che ha lavorato alla progettazione dell’ugello, del riscaldatore e del software, ha affermato che uno degli aspetti principali del progetto per lui è stata l’importanza di avere persone con diverse aree di competenza che lavorano insieme. Un altro aspetto da apprendere è quanto sia fondamentale creare più spazio per gli imprevisti nella sequenza temporale del progetto.

“Inevitabilmente, tutto richiede il doppio del tempo di quanto pensavi”, ha detto Hebda, aggiungendo che lavorare al progetto di progettazione capstone ha dato vita alla conoscenza della classe. “Potresti seguire un corso di ingegneria sull’analisi delle sollecitazioni e pensare: ‘Non costruirò un ponte tanto presto’. Ma poi stai facendo l’analisi delle sollecitazioni sui tiranti di un recipiente a pressione, e vedi che è molto reale e ne ottieni specifiche di coppia reali. Quando vai a riparare la tua macchina, il manuale dice a cosa stringi i bulloni. Ora siamo noi il manuale: stiamo arrivando a definire quali siano questi valori. Quindi farlo ed avere fiducia in quelle risposte è davvero fantastico”.

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