Робокастинг
Роботизированное литье (также известное как роботизированная экструзия материала). [1] ) — это метод аддитивного производства, аналогичный методу прямого письма чернилами и другим методам 3D-печати на основе экструзии, при котором нить пастообразного материала выдавливается из небольшого сопла, в то время как сопло перемещается по платформе. [2] Таким образом, объект создается путем печати необходимой формы слой за слоем. Эта технология была впервые разработана в США в 1996 году как метод, позволяющий геометрически сложные неспеченные керамические изделия методом аддитивного производства. производить [3] При робототехнике 3D-модель CAD разделяется на слои аналогично другим методам аддитивного производства. Материал (обычно керамическая суспензия) затем выдавливается через небольшое сопло, при этом положение сопла контролируется, вырисовывая форму каждого слоя модели САПР. Материал выходит из сопла в жидком состоянии, но сразу же сохраняет свою форму, используя реологические свойства утончения при сдвиге . Оно отличается от моделирования методом наплавления , поскольку не требует затвердевания или высыхания для сохранения формы после экструзии.
Процесс
[ редактировать ]Робокастинг начинается с программного процесса. Один из методов — импортировать файл STL и разрезать эту форму на слои, толщина которых аналогична диаметру сопла. Деталь изготавливается путем экструзии непрерывной нити материала формы, необходимой для заполнения первого слоя. Далее либо столик перемещают вниз, либо сопло перемещают вверх и наносят следующий слой по необходимому рисунку. Это повторяется до тех пор, пока 3D-часть не будет завершена. Механизмы с числовым программным управлением обычно используются для перемещения сопла по расчетной траектории инструмента, созданной пакетом программного обеспечения для автоматизированного производства (CAM). Шаговые двигатели или серводвигатели обычно используются для перемещения сопла с точностью до нанометров. [4]
На этом этапе деталь обычно очень хрупкая и мягкая. Обычно за этим следуют сушка, удаление связующих и спекание, чтобы придать детали желаемые механические свойства.
В зависимости от состава материала, скорости печати и среды печати, роботизированное литье обычно может иметь дело с умеренными выступами и большими областями охвата, длина которых во много раз превышает диаметр нити, где конструкция не поддерживается снизу. [5] Это позволяет с легкостью печатать сложные периодические 3D-каркасы — возможность, которой нет в других технологиях аддитивного производства. Эти детали показали большие перспективы в области фотонных кристаллов , костных трансплантатов, носителей катализаторов и фильтров. Кроме того, опорные конструкции также можно напечатать из «нестойкого материала», который легко удаляется. Это позволяет печатать практически любую форму в любой ориентации.
Механическое поведение
[ редактировать ]Одним из ключевых преимуществ технологии аддитивного производства с помощью роботизированного литья является ее способность использовать широкий спектр исходных «чернил», поскольку способность к разжижению при сдвиге является единственным неотъемлемо необходимым свойством материала. Таким образом, роботизированное литье нашло разнообразное применение среди многих разных классов материалов, таких как металлические пены , [6] прекерамические полимеры , [7] и биологические ткани . [8] Это позволяет получить доступ к широкому спектру механических характеристик с помощью этой технологии, с возможностью дополнительной адаптации за счет использования наполнителей чернил и изменения параметров экструзии.
Эффекты наполнителя
[ редактировать ]Микро- и наноразмерные наполнители обычно используются для создания композитного сырья для роботизированного литья и доступны в широком диапазоне составов, морфология которых обычно попадает в широкие категории сфер, пластинок и нитей/трубок. И состав, и морфология играют важную роль в механических характеристиках, придаваемых наполнителем. Например, включение жестких нанобородков нитрида бора было продемонстрировано, что в эпоксидное сырье анизотропно увеличивает общую прочность и жесткость композита в направлении ориентации волокон из-за их асимметрии формы. [9] в то время как было продемонстрировано, что включение полых стеклянных микросфер в одно и то же эпоксидное сырье изотропно улучшает удельную прочность за счет значительного снижения общей плотности композита. [10]
Было продемонстрировано, что помимо формы, различные режимы размеров внутри наполнителей одной и той же морфологии приводят к значительным изменениям механических свойств. Было показано, что для композитных систем эпоксидно-углеродного волокна идентичного состава прочность на изгиб обычно снижается с уменьшением длины волокна. Однако было также продемонстрировано, что более короткие волокна обеспечивают лучшие характеристики печати в процессе роботизированного литья, поскольку увеличение длины также увеличивает вероятность застревания внутри экструдера; более высокая точность печати, наблюдаемая для более коротких волокон, обычно приводит к большей воспроизводимости механического поведения. Кроме того, очень длинные волокна имеют тенденцию к разрыву во время экструзии, что фактически ограничивает размер наполнителей нитевидного типа, используемых при роботизированном литье. [11]
Эффекты экструзии
[ редактировать ]Было показано, что явления экструзии, неотъемлемо связанные с технологией роботизированного литья, оказывают заметное влияние на механическое поведение получаемых деталей. Одним из наиболее важных является выравнивание материалов наполнителя внутри композиционного сырья во время осаждения, которое усиливается по мере увеличения анизотропии наполнителя. Это явление выравнивания также становится более выраженным при уменьшении диаметра сопла и увеличении скорости нанесения чернил, поскольку эти факторы увеличивают эффективный сдвиг, испытываемый наполнителями, суспендированными в сырье, в соответствии с теорией потока Джеффри-Хэмеля . Таким образом, наполнители выравниваются параллельно пути экструзии, придавая готовой детали значительный анизотропный характер. Эту анизотропию можно еще больше усилить, предписав пути экструзии, которые остаются параллельными на протяжении всего производственного процесса; и наоборот, назначение путей экструзии, которые имеют разную ориентацию, например, поворот «бревна» между слоями на 90 °, может смягчить этот эффект. [12]
Выбор пути осаждения также можно использовать для изменения механических характеристик изделий роботизированного литья, например, в случае неплотных и градуированных компонентов. Создание структур типа открытой решетки с помощью роботизированного литья широко распространено и позволяет оптимизировать удельную прочность и жесткость за счет уменьшения площади поперечного сечения данного исходного материала, сохраняя при этом большую часть его объемной механической целостности. [13] [14] [15] Кроме того, создание уникальной траектории осаждения с помощью конечно-элементного анализа желаемой структуры может генерировать динамически градуированную геометрию, оптимизированную для конкретных приложений. [16]
Приложения
[ редактировать ]
Этот метод позволяет производить неплотные керамические изделия, которые могут быть хрупкими и должны быть спечены , прежде чем их можно будет использовать для большинства применений, аналогично мокрому глиняному керамическому горшку перед обжигом. С помощью этой техники из цельных монолитных деталей можно сформировать самые разнообразные геометрические формы. [2] сложные микромасштабные «подмостки», [17] и специальные композитные материалы. [18] Широко исследованное применение роботизированного моделирования — производство биологически совместимых тканевых имплантатов. Можно довольно легко сформировать сложенные решетчатые структуры «поленницы», которые позволяют костям и другим тканям человеческого тела расти и в конечном итоге заменять трансплантат. С помощью различных методов медицинского сканирования была установлена точная форма недостающей ткани, введена в программное обеспечение для 3D-моделирования и распечатана. Кальций-фосфатные стекла и гидроксиапатит широко исследовались в качестве потенциальных материалов из-за их биосовместимости и структурного сходства с костью. [19] Другие потенциальные применения включают производство специфических структур с большой площадью поверхности, таких как слои катализаторов или электролиты топливных элементов . [20] Усовершенствованные композиты с металлической матрицей и керамической матрицей, несущие нагрузку, могут быть получены путем пропитки тел поленниц расплавленным стеклом, сплавами или суспензиями.
Роболитье также использовалось для нанесения полимерных и золь-гель чернил через сопла гораздо меньшего диаметра (менее 2 мкм), чем это возможно при использовании керамических чернил. [4]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Терминология аддитивного производства – Общие принципы – Терминология , Вест-Коншохокен, Пенсильвания: ASTM International, doi : 10.1520/isoastm52900-15
- ^ Jump up to: а б Фейлден, Эзра (2016). «Робокастинг конструкционных керамических деталей гидрогелевыми чернилами». Журнал Европейского керамического общества . 36 (10): 2525–2533. doi : 10.1016/j.jeurceramsoc.2016.03.001 . hdl : 10044/1/29973 .
- ^ Штукер, Дж (2004). «Расширенные структуры поддержки для повышенной каталитической активности». Исследования в области промышленной и инженерной химии . 43 (1): 51–55. дои : 10.1021/ie030291v .
- ^ Jump up to: а б Сюй, Минцзе; Гратсон, Грегори М.; Дуосс, Эрик Б.; Шеперд, Роберт Ф.; Льюис, Дженнифер А. (2006). «Биомиметическое окремнение трехмерных каркасов, богатых полиамином, собранных путем прямого письма чернилами». Мягкая материя . 2 (3): 205–209. Бибкод : 2006SMat....2..205X . дои : 10.1039/b517278k . ISSN 1744-683X . ПМИД 32646146 .
- ^ Смэй, Джеймс Э.; Чезарано, Джозеф; Льюис, Дженнифер А. (2002). «Коллоидные чернила для направленной сборки трехмерных периодических структур». Ленгмюр . 18 (14): 5429–5437. дои : 10.1021/la0257135 . ISSN 0743-7463 .
- ^ Кенель, К.; Гейзендорфер, Северная Каролина; Шах, Р.Н.; Дюнанд, округ Колумбия (01 января 2021 г.). «Иерархически-пористые металлические каркасы с помощью 3D-экструзии и восстановления чернил из оксидных частиц с помощью солевых пространственных держателей» . Аддитивное производство . 37 : 101637. дои : 10.1016/j.addma.2020.101637 . ISSN 2214-8604 . S2CID 224925788 .
- ^ US20230121100A1 , Комптон, Бретт Гибсон; Кемп, Джеймс Уильям и Ромберг, Стиан Кристов и др., «Состав прекерамического полимера для 3D-печати, содержащий дымящий оксид алюминия», выпущено 20 апреля 2023 г.
- ^ Баниасади, Хосейн; Аждары, Рубина; Трифол, Джон; Рохас, Орландо Дж.; Сеппяля, Юкка (15 августа 2021 г.). «Прямое написание тушью биогидрогелей нанофибрилл алоэ вера/целлюлозы» . Углеводные полимеры . 266 : 118114. doi : 10.1016/j.carbpol.2021.118114 . ISSN 0144-8617 . ПМИД 34044931 . S2CID 235229991 .
- ^ Комптон, Бретт Г.; Уилт, Джексон К.; Кемп, Джеймс В.; Хмейдат, Надим С.; Манесс, Саманта Р.; Эдмонд, Марк; Вильченски, Стив; Тейлор, Джейсон (01 апреля 2021 г.). «Механические и термические свойства 3D-печатных эпоксидных композитов, армированных нанобородками нитрида бора» . МРС Коммуникации . 11 (2): 100–105. дои : 10.1557/s43579-020-00005-9 . ISSN 2159-6867 . S2CID 234142021 .
- ^ US20210047490A1 , Комптон, Бретт Гибсон; Манесс, Саманта и Пак, Роберт, «Синтаксические пенопласты низкой плотности, получаемые при аддитивном производстве экструзией материалов», выпущено 18 февраля 2021 г.
- ^ Хмейдат, Надим С.; Элкинс, Дэниел С.; Питер, Хатчисон Р.; Кумар, Випин; Комптон, Бретт Г. (15 октября 2021 г.). «Обработка и механические характеристики эпоксидных композитов, армированных короткими углеродными волокнами, для экструзионного аддитивного производства материалов» . Композиты. Часть B: Инженерия . 223 : 109122. doi : 10.1016/j.compositesb.2021.109122 . ISSN 1359-8368 .
- ^ Хмейдат, Надим С.; Пак, Роберт С.; Тэлли, Саманта Дж.; Мур, Роберт Б.; Комптон, Бретт Г. (01 августа 2020 г.). «Механическая анизотропия в полимерных композитах, полученных методом экструзии материалов, аддитивного производства» . Аддитивное производство . 34 : 101385. дои : 10.1016/j.addma.2020.101385 . ISSN 2214-8604 . S2CID 225351017 .
- ^ Эльсаид, Хамада; Ребезан, Питер; Джакомелло, Джованни; Пасетто, Марко; Гарден, Кьяра; Феррони, Летиция; Заван, Барбара; Биазетто, Лиза (01 октября 2019 г.). «Прямая чернильная запись решетчатых структур пористого титана (Ti6Al4V)» . Материаловедение и инженерия: C . / j.msec.2019.109794 дои : 10.1016 . ISSN 0928-4931 . ПМИД 31349412 . S2CID 182555527 .
- ^ Франчин, Джорджия; Валь, Лариса; Коломбо, Паоло (октябрь 2017 г.). «Прямая чернильная запись керамических матричных композиционных структур» . Журнал Американского керамического общества . 100 (10): 4397–4401. дои : 10.1111/jace.15045 .
- ^ Комптон, Бретт Г.; Льюис, Дженнифер А. (2014). «3D-печать легких ячеистых композитов» . Продвинутые материалы . 26 (34): 5930–5935. Бибкод : 2014AdM....26.5930C . дои : 10.1002/adma.201401804 . ПМИД 24942232 . S2CID 7816025 .
- ^ Хмейдат, Надим С.; Браун, Бейли; Цзя, Сю; Вермаак, Наташа; Комптон, Бретт (01 января 2021 г.). «Влияние рисунков заполнения на прочность и жесткость топологически оптимизированных геометрий, напечатанных на 3D-принтере» . Журнал быстрого прототипирования . 27 (8): 1467–1479. дои : 10.1108/RPJ-11-2019-0290 . ISSN 1355-2546 . S2CID 238782971 .
- ^ Льюис, Дженнифер (2006). «Прямое написание 3D функциональных материалов тушью». Передовые функциональные материалы . 16 (17): 2193–2204. дои : 10.1002/adfm.200600434 . S2CID 28385714 .
- ^ Фейлден, Эзра; Ферраро, Клаудио; Чжан, Цинхуа; Гарсиа-Туньон, Эстер; Д'Элия, Элеонора; Джулиани, финн; Вандепер, Люк; Саис, Эдуардо (2017). «3D-печать биоинспирированных керамических композитов» . Научные отчеты . 7 (1): 13759. Бибкод : 2017NatSR...713759F . дои : 10.1038/s41598-017-14236-9 . ISSN 2045-2322 . ПМЦ 5653810 . ПМИД 29062036 .
- ^ Миранда, П. (2008). «Механические свойства каркасов из фосфата кальция, изготовленных методом роботизированного литья». Журнал исследований биомедицинских материалов, часть A. 85 (1): 218–227. дои : 10.1002/jbm.a.31587 . ПМИД 17688280 .
- ^ Кун, М.; Наппорн, Т.; Менье, М.; Венгаллаторе, С.; Террио, Д. (2008). «Микропроизводство с прямой записью однокамерных микротвердооксидных топливных элементов». Журнал микромеханики и микроинженерии . 18 (1): 015005. Бибкод : 2008JMiMi..18a5005K . дои : 10.1088/0960-1317/18/1/015005 . S2CID 55927188 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- «Робокастинг» . Обзор технологий Массачусетского технологического института . 1 мая 1999 г. Архивировано из оригинала 14 февраля 2015 г.
