3D-Druck von endkonturnahen Teilen ohne Post

5. Juni 2023

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von Lynn Shea, Maschinenbau der Carnegie Mellon University

Professor Rahul Panat von der Carnegie Mellon University und sein Team entwickelten gerade einen neuen Typ eines 3D-gedruckten Brain-Computer Interface (BCI)-Geräts, bei dem benutzerdefinierte Mikropillen die Kommunikationssignale von Neuronen erfassen, als sie auf ein unerwartetes Problem stießen: die Mikropillaren in der Anordnung beim Sintern verbogen. Diese BCI-Geräte, jetzt „CMU Arrays“ genannt, stapeln Millionen von Metallnanopartikeln im 3D-Raum und sintern sie dann, also verschmelzen sie miteinander.

In einer ziemlich dramatischen Illustration, einem Zeitrafferfilm ihres Experiments, öffneten sich die silbernen Mikropillen während des 12-stündigen Sinterprozesses bei 150–300 °C auf hochkoordinierte Weise wie eine blühende Blume. Dieses Phänomen war völlig unerwartet, da die Sintertheorie selbst bei schwankenden Temperaturen keine bleibende Verformung vorhersagt.

Panat leitete ein interdisziplinäres Team von Forschern der Carnegie Mellon und der Washington State University mit der Aufgabe, nicht nur herauszufinden, warum es eine solche Verzerrung gab, sondern, was noch wichtiger ist, einen Weg zu finden, sie zu kontrollieren. Tatsächlich würde die Forschung, wenn sie kontrolliert würde, zur weltweit ersten Darstellung des Sinterns als Mechanismus des „4D-Drucks“ führen, einer relativ neuen Disziplin innerhalb der additiven Fertigung (AM), bei der 3D-gedruckte Objekte mithilfe von Quellen wie Wärme, Wasser usw. in eine andere Form umgewandelt werden. oder andere Umweltreize.

Durch ihre Untersuchung konnte das Team schlüssig beweisen, dass Massentransport notwendig war, um die dauerhafte Formänderung herbeizuführen. Sie definierten zwei mögliche Verzerrungsmechanismen und formulierten das erste Kontinuumsmodell seiner Art, das Verzerrungen und Parameter, die sie steuern, genau vorhersagt. Ihre Ergebnisse werden in der neuesten Ausgabe der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht. Sandra Ritchie, Senior Ph.D. Der Kandidat für Maschinenbau ist der Hauptstudent der Studie.

„Es ist sehr aufregend, dass wir ein grundlegendes Problem in der additiven Fertigung lösen konnten, das das Haupthindernis für die Herstellung endkonturnaher Teile mithilfe von AM war. Solche Teile erfordern keine zusätzliche Bearbeitung, was Kosten senkt und Energie spart“, sagte Panat, der fügte hinzu: „Die Idee des Sinterns als Möglichkeit zum 4D-Drucken wird neue Forschungsrichtungen eröffnen.“ Da sich die derzeitigen Bemühungen zur Reduzierung von Verzerrungen beim 3D-Druck weitgehend auf langwierige Versuch-und-Irrtum-Ansätze beschränken, könnte die Lösung dieses Problems ein entscheidender Faktor für die Weiterentwicklung der additiven Fertigungstechnologie sein.

Die Experimente mit Mikrosäulen waren spannend, aber um die Formänderung auf eine Richtung zu beschränken, entwickelten die Autoren eine neue Reihe von Experimenten, um 20 und 35 μm dicke Mikrowände zu erzeugen. Mithilfe optischer Bildgebung könnte dann die Verzerrung (in diesem Fall die Biegung) genau gemessen werden. Wie bei den Mikrosäulen nahm die Krümmung der Mikrowände mit fortschreitendem Sintern zu und erreichte einen Spitzenwert, bevor es zu einer leichten Erholung kam. Thermische Messungen zeigten, dass sich die Mikrowände immer zur heißeren Seite hin verbiegen, was auf einen Stofftransport durch Differenzsinterung hindeutet.

Diese Forschung befasst sich mit einem grundlegenden Problem der additiven Fertigung und soll Forschungsarbeiten eröffnen, die Panat in der Operando-Mikroskopie fortsetzen möchte, um den Massentransport während der Verformung zu beobachten, die Temperaturkontrolle, um 4D-Druck auf verschiedenen Konfigurationen zu erreichen, und die Entwicklung von Modellen, die Formänderungen vorhersagen für komplexe Formen, wie sie in großen Teilen für Branchen wie Luft- und Raumfahrtstrukturen zu erwarten sind.

Mehr Informationen: Sandra M. Ritchie et al., Formverzerrung beim Sintern resultiert aus inhomogener Temperatur, die einen Massentransport über große Entfernungen aktiviert, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-38142-z

Zeitschrifteninformationen:Naturkommunikation

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