Los ingenieros del MIT han desarrollado una nueva impresora 3D de escritorio que funciona hasta 10 veces más rápido que las contrapartes comerciales existentes. Mientras que las impresoras más comunes pueden fabricar algunos ladrillos del tamaño de Lego en una hora, el nuevo diseño puede imprimir objetos de tamaño similaren solo unos minutos.
La clave del diseño ágil del equipo radica en el cabezal de impresión compacto de la impresora, que incorpora dos componentes nuevos que mejoran la velocidad: un mecanismo de tornillo que alimenta el material polimérico a través de una boquilla con gran fuerza; y un láser, integrado en el cabezal de impresión, quecalienta y derrite rápidamente el material, lo que permite que fluya más rápido a través de la boquilla.
El equipo demostró su nuevo diseño imprimiendo varios objetos tridimensionales manuales y detallados, incluidos pequeños marcos de anteojos, un engranaje cónico y una réplica en miniatura del domo del MIT, cada uno, de principio a fin, en varios minutos.
Anastasios John Hart, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT, dice que la nueva impresora demuestra el potencial de la impresión 3D para convertirse en una técnica de producción más viable.
"Si puedo obtener una pieza de prototipo, tal vez un soporte o un engranaje, en cinco a 10 minutos en lugar de una hora, o una parte más grande durante la pausa del almuerzo en lugar del día siguiente, puedo diseñar, construir y probarmás rápido ", dice Hart, quien también es director del Laboratorio de Manufactura y Productividad del MIT y del Grupo de Mecanosíntesis." Si soy un técnico en reparaciones y pudiera tener una impresora 3D rápida en mi vehículo, podría usar 3-D-imprimir una pieza de reparación a pedido después de averiguar qué está roto. No tengo que ir a un almacén y sacarlo del inventario ".
Hart agrega que prevé "aplicaciones en medicina de emergencia y para una variedad de necesidades en ubicaciones remotas. La impresión 3D rápida crea nuevas formas de trabajo valiosas y permite nuevas oportunidades de mercado".
Hart y Jamison Go SM '15, un ex investigador graduado en el laboratorio de Hart, han publicado sus resultados en la revista Fabricación aditiva .
flujo lento
En un artículo anterior, Hart y Go se propusieron identificar las causas subyacentes que limitan la velocidad de las impresoras 3-D de escritorio más comunes, que extruyen plástico, capa por capa, en un proceso denominado en la industria como "filamento fusionadofabricación."
"Cada año, ahora, cientos de miles de impresoras de escritorio que utilizan este proceso se venden en todo el mundo", dice Hart. "Una de las limitaciones clave para la viabilidad de la impresión 3-D es la velocidad a la que puede imprimir algo. "
Hart y Go habían determinado previamente que las impresoras tridimensionales de extrusión de escritorio comerciales, en promedio, imprimen a una velocidad de unos 20 centímetros cúbicos, o el valor de varias estructuras de Lego, por hora. "Eso es muy lento", señala Hart..
El equipo identificó tres factores que limitan la velocidad de una impresora: qué tan rápido una impresora puede mover su cabezal de impresión, cuánta fuerza puede aplicar un cabezal de impresión a un material para empujarlo a través de la boquilla y qué tan rápido el cabezal de impresión puede transferir calor para derretir un materialy haz que fluya.
"Luego, dado nuestro conocimiento de los límites de esas tres variables, preguntamos cómo diseñamos nosotros mismos una nueva impresora que pueda mejorar los tres en un sistema", dice Hart. "Y ahora la hemos construido y funcionamuy bien."
agarrando
En la mayoría de las impresoras 3D de escritorio, el plástico se alimenta a través de una boquilla a través de un mecanismo de "rueda de arrastre", en el que dos ruedas pequeñas dentro del cabezal de impresión giran y empujan el plástico o filamento hacia adelante. Esto funciona bien a velocidades relativamente lentas.velocidades, pero si se aplicara más fuerza para acelerar el proceso, en cierto punto las ruedas perderían su agarre sobre el material - una "desventaja mecánica", como Hart dice, que limita la rapidez con que el cabezal de impresión puede empujar el material a través.
Hart and Go decidió eliminar el diseño de rueda de arrastre, reemplazándolo por un mecanismo de tornillo que gira dentro del cabezal de impresión. El equipo introdujo un filamento de plástico texturizado en el tornillo y, cuando el tornillo giraba, se agarró a la superficie texturizada del filamentoy fue capaz de alimentar el filamento a través de la boquilla a mayores fuerzas y velocidades.
"Con este mecanismo de tornillo, tenemos mucha más área de contacto con la textura roscada en el filamento", dice Hart. "Por lo tanto, podemos obtener una fuerza impulsora mucho mayor, fácilmente 10 veces mayor".
El equipo agregó un láser aguas abajo del mecanismo de tornillo, que calienta y derrite el filamento antes de que pase a través de la boquilla. De esta manera, el plástico se derrite más rápida y completamente, en comparación con las impresoras 3D convencionales, que usan conducciónpara calentar las paredes de la boquilla para derretir el plástico extruido.
Hart y Go descubrieron que, al ajustar la potencia del láser y encenderlo y apagarlo rápidamente, podían controlar la cantidad de calor entregado al plástico. Integraron tanto el láser como el mecanismo de tornillo en un cabezal de impresión compacto y personalizadoaproximadamente del tamaño de un mouse de computadora.
Finalmente, idearon un mecanismo de pórtico de alta velocidad: un marco en forma de H impulsado por dos motores, conectado a una etapa de movimiento que sostiene el cabezal de impresión. El pórtico fue diseñado y programado para moverse ágilmente entre múltiples posiciones y planos.De esta manera, todo el cabezal de impresión pudo moverse lo suficientemente rápido para mantenerse al día con la alimentación más rápida del plástico extruido.
"Diseñamos el cabezal de impresión para que tenga gran fuerza, alta capacidad de calentamiento y la capacidad de ser movido rápidamente por la impresora, más rápido de lo que pueden hacerlo las impresoras de escritorio existentes", dice Hart. "Los tres factores permiten que la impresora funcione10 veces más rápido que las impresoras comerciales que comparamos ".
vista en 3-D
Los investigadores imprimieron varias piezas complejas con su nueva impresora, cada una producida en cinco a 10 minutos, en comparación con una hora para las impresoras convencionales. Sin embargo, se encontraron con una pequeña falla en su diseño más rápido: el plástico extruido se alimenta a través delboquilla a fuerzas y temperaturas tan altas que una capa impresa todavía puede estar ligeramente fundida cuando la impresora extruye una segunda capa.
"Descubrimos que cuando terminas una capa y vuelves a comenzar la siguiente, la capa anterior todavía está un poco demasiado caliente. Por lo tanto, tenemos que enfriar la pieza activamente mientras se imprime, para retener la forma de la pieza.no se distorsiona ni se suaviza ", dice Hart.
Ese es un desafío de diseño que los investigadores están asumiendo actualmente, en combinación con las matemáticas mediante las cuales se puede optimizar la ruta del cabezal de impresión. También explorarán nuevos materiales para alimentar a través de la impresora.
"Estamos interesados en aplicar esta técnica a materiales más avanzados, como polímeros de alta resistencia, materiales compuestos. También estamos trabajando en impresión 3D a gran escala, no solo imprimiendo objetos a escala de escritorio, sino estructuras más grandes para herramientas,o incluso muebles ", dice Hart." La capacidad de imprimir rápidamente abre la puerta a muchas oportunidades interesantes ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
Referencia de la revista :
cite esta página :