FREEDEE BLOG

A Torontói Egyetem Yu Zou professzor által vezetett kutatócsoportja a felsőoktatási intézmény 3D fémnyomtatás laboratóriumában, egyelőre az SLS (szelektív lézeres szinterezés) és a DED (közvetlen energialerakás) technológiákra fókuszálva, gőzerővel dolgozik az additív gyártás továbbfejlesztésén. A gyártófolyamatok mögötti fizikai jelenségek feltárásával, a 3DP robusztusabbá tételével, valamint új anyagok létrehozásával igyekeznek elérni céljaikat.

Új kísérleti és elemzőmódszerekkel próbálják jobban megérteni az SLS és a DED technikákat. Jelenleg fejlett acélokkal, nikkelalapú szuperötvözetekkel és magas entrópiájú ötvözetekkel foglalkoznak, de a közeljövőben titán- és alumíniumötvözetekkel bővülhet a lista.

A hagyományos ötvözettervezésben az új anyagok létrehozásához és teszteléséhez szükséges rengeteg feldolgozási idő az egyik legkomolyabb akadály, amely additív gyártással kiküszöbölhető, és így az anyagok gyorsabban megismerhetők.

A kutatók elmondták, hogy az intelligens gyártáson is dolgoznak, mert a 3D fémnyomtatás oda vezet. Például printelés közben a nagyenergiájú lézer és az anyag közötti interakció csak néhány mikroszekundum, viszont ilyen rövid idő alatt is fontos fizikai jelenségek mennek végbe. Az adatokat viszont rögzíteni kell, mert csak úgy lehet az elemzésükhöz használt gépitanulás-módszert egyedire kialakítani.

A laboratórium fémnyomtatóiba gyors infravörös kamerarendszert integráltak, illetve a printer által felvett képeket – a nyomatokat – elemző, főbb jellemzőket kivonatoló monitoring rendszert is fejlesztettek. A gépi látás fejlődésével, jól begyakoroltatott mélytanulás-modellekkel eddig emberi szemre bízott alapfeladatok automatizálhatók: osztályozás, szegmentálás, detektálás.

A gépi tanulást és a mélytanulást teljesen autonóm 3D nyomtatórendszer fejlesztésére is fel szeretnék használni. A rendszer automatikusan észlelne és kijavítana a nyomatban később megjelenő hibákat. Ha az ilyen printerek elterjednek, a fémalapú additív gyártást a mainál szélesebb körben, több iparágban fogják alkalmazni.

„A 3D fémnyomtatás potenciálisan forradalmasíthatja az általunk ismert gyártást. Robusztus autonóm rendszerekkel, működtetési költségük drasztikusan csökkenthető, így pedig az additív gyártás jobban elterjed” – magyarázza Zou.

A szilikon biokompatibilitása, hővel, vegyi anyagokkal és nedvességgel szembeni ellenállóképessége miatt ígéretes anyagnak számít, egyes tulajdonságai viszont komoly kihívás elé állítják a 3D nyomtatást: rugalmas, de ellentétben az FDM/FFF eljáráshoz alkalmazott nyomtatószálakkal, olvasztás után már nem lehet újra szilárddá tenni.

Ezért folyékony halmazállapotban printelik, és azt követően szilárdítják meg végérvényesen. A formák összetettsége szintén problémás: hogyan lehetünk biztosak abban, hogy a nyomat nem esik szét?

Ezekre a kérdésekre ad választ a speciális „fürdőben” történő printelés: az egymást követő rétegek lerakása segédanyagként funkcionáló szilikonolajos környezetben történik.

A Florida Egyetemen az agy véredényeinek próbálják elkészíteni a pontos másolatát. Szilikonalapú 3D nyomtatást használnak, új nyomtatóeljárást fejlesztettek hozzá. Az AMULT az „ultraalacsony határfelületi feszültség melletti additív gyártás” rövidítése, és a nyomtatási közegként működő, szilikonolajban lévő mikro vízcseppek emulziójából (folyadékrészecske szétosztása egy másik folyadékban) álló anyagfürdő a lényege.

Agyi véredények így másolhatók legjobban, mert a technikával négy mikrométeres modellek is kialakíthatók.

A kutatók abból indultak ki, hogy a szilikonolaj és a szilikon tinták közötti valószínűsíthetően minimálisra csökkenthető a feszültség, ugyanakkor különböznek is annyira, hogy nyomtatásnál sem válnak eggyé.

Sikerrel jártak, nagy felbontású, nyolc mikrométer átmérőjű, nyújtható és tartós szilikonszerkezeteket printeltek. Több segédanyag tanulmányozása után, a sűrű emulzió miatt döntöttek szilikonolaj és vízcseppek kombója mellett.

Az első teszteknél az emberi agy véredényeit vizsgálják, amellyel lehetővé teszik idegsebészek műtét előtti hatékonyabb gyakorlását. Az eddigieknél élethűbb szimulációkkal a beteg anatómiája is jobban érthető. Agyi véredények másolata a páciensről készült 3D szkenek alapján lesz megvalósítható.

A 2005-ben alakult Hum3D realisztikus 3D modelleket kínál filmes, videojáték, kiterjesztett valóság (augmented reality, AR) és más vizuális alkalmazásokhoz. A modellek használatával idő takarítható meg; a vállalat eddig több mint nyolcvan ország művészeit támogatta. Mielőtt nyilvánossá tennék őket, a vállalat 3D művészei az összest alaposan átvizsgálják, hogy minden elvárásnak megfeleljenek.

Az évek során kialakították a legváltozatosabb 3D autómodell-gyűjteményt, jelenleg hétszáznál több márka kilencezer modelljét tartalmazza. Katalógusuk változatos területeken, például az építészetben, elektronikában, berendezési tárgyakban kínál modelleket.

Márciusban meghirdették a 2023 Sci-fi Ipari Zóna 3D Versenyt 3D művészek számára. A verseny globális, tehát bárhonnan lehet jelentkezni rá. A résztvevőknek tudományos-fantasztikus világban kell ipari környezetet kialakítaniuk. A közegnek immerzívnek kell lennie, vizuálisan magával ragadó rendereléssel.

A címből már látszik, hogy az idei verseny a sci-fi és az ipari design fúziójára összpontosít. Ez azt jelenti, hogy a jelentkező művészek változatos jövőbeli beállításokat, például gyártóüzemeket, űrállomásokat, erőműveket, űrbéli üzemeket jeleníthetnek meg.

A beadott munkák legyenek részletesek, fényektől a textúrákig, gépektől a fémes felületekig, mindent dolgozzanak ki alaposan az alkotók. A vizuális elemek mellett a 3D rendereléssel is a néző fantáziáját megragadó, izgalmas történetet kell elbeszélni – hangsúlyozza a Hum3D. A környezet megtervezésének, beleértve a gépeket, űrhajókat, épületeket, erősítenie kell az egész narratívát.

A versenyt a 3D ipar több ismert szereplője támogatja, és egyben platform is a résztvevők számára, együttműködések születhetnek belőle, nyilvánvalóan bővül a 3D művészközösség. Az anyagok leadása március 21-én kezdődött, június harmadikán zárul.

Additív gyártással laborok és egyetemi kutatócsoportok azért jutottak el komoly felfedezésekig, mert a technológiával más módszerekkel csak nehezebben vagy egyáltalán nem vizsgálható elemekből, részletekből tudtak következtetéseket levonni.

3D szkent, majd digitális ikertestvért készítünk egy objektumról, aztán kinyomtatjuk, azaz reprodukáljuk. A Washington Egyetem kutatói a cápabél működését vizsgálták ezzel a módszerrel, hogy a későbbiekben változatos alkalmazásokat, például spirálcsöveket vagy puha robotokat alapozhassanak rá. (A puha robotika – soft robotics – a robotika egyik legújabb és leginnovatívabb területe.)

A cápabél működésének infokommunikációs technológiákkal történő technológiákká másolása a biomimikri egyik legújabb szép példája. Egyelőre nem sokat tudunk az óceánok félelmetes ragadozójának étkezéséről, a Washington Egyetemen – más amerikai felsőoktatási intézményekkel együttműködve – 2021-ben kezdtek foglalkozni vele.

A Los Angelesi Természettörténeti Múzeum kutyahala más néven iszapcápája mintadarabjának bélrendszerét szkennelték le. Kiderült, hogy a spirálformájú szerv lassítja és lefelé irányítja a táplálék mozgását, és az egész, a belek sima izmainak összehúzódása mellett, a gravitáción alapul. A bél ugyanúgy működik, mint egy, Tesla által 1920-ban szabadalmaztatott szelep.

Egy friss tanulmány azt sugallja, hogy ezek a szerkezeteket aszimmetrikus áramlások is jellemzik, elősegítve az emésztési útvonalon történő áramlásokat. A kutatók jobb spirálcsövek létrehozására akarták felhasználni az eredményeket.

A cápa bélrendszerének egyszerűsített biomimetikus nyomata idén februárban készült el. Rajta keresztül jól tudják tanulmányozni folyadékok kétirányú áramlását, hidrodinamikai folyamatokat, a cső deformációja és az áramlás tempója közötti összefüggéseket. Munkájukat segíti, hogy a nyomat puhább anyagokból készült.

Az eredmények azért fontosak, mert lehetővé teszik a folyadékáramlást és a szivattyúzást kötelezően kontrolláló szerkezetek tervezését. Ipari csővezetékektől mikrofolyadékos eszközökig, puha robotoktól orvosi implantátumokig, az egészségügytől és a gyógyszeripartól az energetikáig, sok területen várhatunk nagyon változatos alkalmazásokat.

A Michigan Egyetem kutatói új 3D betonnyomtató technikát (3DCP) dolgoztak ki. Eljárásukkal alacsonyabb áron fejleszthetők jobb és környezetbarátabb szerkezetek. Ez a beton nagyon könnyű, nincs anyagveszteség, minimális a hulladék. A hagyományos, kemény betonnal összehasonlítva, az új anyag tömege, azonos méret mellett, 72 százalékkal kevesebb.

A fejlesztés nyilvánvalóan nem marad a felsőoktatási intézmény falai között, és a laboratóriumi állapot után új partnerségek és szabadalmak várhatóak. Az eljárás erősen kapcsolódik az utóbbi évek és a jelen trendjeihez, az építészet és az építőipar lassú, de biztos átalakulási folyamatának egyik fontos pontja, komoly potenciális következményekkel.

A 3DCP az építés digitalizálását és a környezetbarát elvárásoknak, a fenntartható fejlődés elveinek megfelelően, a betonfogyasztás csökkentését célozza. A széles körben elterjedt megközelítéseket alkalmazva az építők az eddigi alkalmazásokkal azonban egyszerű formákra, például sima merőleges falakra korlátozó geometriai akadályokba ütköznek.

Ez pedig növeli a betonfogyasztás mértékét, és korlátozza a nyomtatás könnyebb szerkezetekre való alkalmazhatóságát. Bonyolultabb formákat, például elágazó és szögletes csőalakzatokat, túlnyúlásokat, szögváltoztatásokat stb. pont ezek a könnyebb szerkezetek tesznek kivitelezhetővé.

A Michigan Egyetem „Kagylófal” megközelítése számítógépes tervezés és robotizált 3D nyomtatás, topológiai optimalizálás és 3D betonprintelés kombinációja. Számítási modelljük a topológiailag optimalizált részek alakja és geometriai tulajdonságai alapján „szinergizálja” a nem sík (például görbe) és változó anyaglerakódást. Az összes tényezőt együtt alkalmazva, olcsóbban építhetők jobb, természetbarátabb szerkezetek.

A nem sík 2D nyomtatást polimeralapú anyagokra alkalmazva, készültek már bonyolult geometriájú szerkezetek. A nagyobb kihívással járó betonra viszont kevésbé figyelt a szakma. Ezzel szemben, a Michigan Egyetem Kagylófalára már több 3D betonépítész nagyágyú, például az ICON, a Peri Csoport és a WASP is felfigyelt. 

A Németországban alapított, ír székhelyű multinacionális gázvállalat, a Linde a szakterület egyik meghatározó szereplőjével, a német Impact Innovations-szel közösen, következőgenerációs, „additív gyártás utáni” hidegfúvós technológiát dolgozott ki. A LINSPRAY Connecttel jelentősen javul a gázfúvó folyamat biztonsága és megbízhatósága.

A hidegfúvás vagy hidegpermetezés öt-tíz mikron közötti részecskéket nagynyomású gázokkal a hordozóra juttató anyaglerakás-technika. A környezet-hőmérsékleten tartott részecskéket nitrogén- vagy héliumgáz-áramba teszik, majd szuperszonikus fúvókán keresztül másodpercenkénti 500-1200 méter sebességgel melegítik és gyorsítják.

A folyamat közben a fémpor hőmérséklete jóval olvadáspont alatt, így a fém szilárd halmazállapotú marad. Megőrzi tulajdonságait, ellenáll az oxidációnak. Az eljárással létrehozott bevonat alakítható, hajlékony, és ezzel megakadályozhatók a feszültség alatti károsodások.

A gázáram magas, akár 1100 fokos hőmérséklete miatt, a bevonatos termékek gyártása több tényezőtől erősen függ: nagy tisztaságú gázzal való ellátottság, minimális nyomásváltozás, és mindegyiknek megadott hőmérséklet-tartományban kell lennie.

A gyors hőmérséklet-változás a gázmelegítőt és a fúvópisztoly hegyén lévő fúvókát is súlyosan megrongálhatja. A bevonat – és összességében a termék és a szolgáltatás – minőségét befolyásoló zökkenőmentes gázáramlást állandó és megbízható nyomás garantálja.

A LINSPRAY Connect kialakítása stabil és jó minőségű gázáramlást biztosít, minimális eltérésekkel, miközben az ügyfelek figyelhetik a folyamatparamétereket: nyomást, hőmérsékletet, a nitrogéntartály töltöttségi szintjét. A rendszer automatikusan hibaüzeneteket küld, vészhelyzeti gázellátásra válthat, sőt, baleset esetén a biztonságos leállás mellett is dönthet.

Mi következik mindebből? Javul a szállítás, csökken az állásidő, a hibajelzés pedig lehetővé teszi a proaktív és megelőző karbantartást.

A Linde és az Impact Innovations szerint az új gázszállítási technika egy sor iparágra lehet komoly hatással: nukleáris energia, légjármű- és járműipar stb.

A digitalizáció az élet minden szegmensére, így a sütés-főzés művészetére is kiterjed. A gasztronómia gyorsan változik, a 3D ételnyomtatás és a lézeres főzés a terület technológiai újdonságai, bár a 3DP már évek óta jelen van.

A cél finom, egészséges és persze minél olcsóbb kaják előállítása. Az új módszerekkel egyedibbre és tápanyag-szükségleteinknek jobban megfelelve alakítható ki az étrendünk. Máról holnapra történő hatalmas változásra azonban ne számítsunk, régi és új inkább szimbiózisban fog fejlődni, a 3DP jól kiegészítheti a hagyományos módszereket.

Ételnyomtatáshoz a felhasználó által készített modellből alakítanak ki 3D formákat, a formák alapját ehető „tinták” adják. Lézeres főzésnél magas energiatartalmú fénnyel, meghatározott, aprólékos módszerrel melegítik a kaját. Mindkét technika előnye, hogy a chef jobban oda tud figyelni a tápértékre, amellyel a fogások egészségesebbek lesznek.

A Columbia Egyetem kutatói hét különféle összetevőből álló tortaszeletet nyomtattak. A printeléshez szükséges anyagok összeszedéséhez és elhelyezéséhez egyedi extrudáló mechanizmust használtak. Magukat az élelmiszereket úgy készítették elő, hogy a fúvókafejet ne dugítsák el, a banánt például kézzel pépesítették. A tésztát konyhai robotgépre bízták.

445 nanométeren működő, a nyomtatófejhez rögzített kék lézerdiódával főzték meg a printelt ételt. A főzőkészülék nagyjából öt-hat watt teljesítményre volt képes.

Minden egyes anyagot CAD szoftverrel modelleztek, majd assembly programmal kombinálták össze őket. A modellezés után a fájlokat a 3DP-ben legelterjedtebb STL formátumra konvertálták. Ez tette lehetővé a szeletelő szoftverrel történő feldolgozásukat, miután a szeletelőt a célnak megfelelően kialakított printerükhöz optimalizálták.

A végeredményből kiderült, hogy az ízek és a textúrák milliméter-léptékben lokalizálhatók, a sajttorta a beszámolók alapján olyanra sikerült, mint egy hagyományos eljárással sütött-főzött tipikus sajttorta.

Az additív gyártás szolgáltatóira a nyomatoktól elvárt egyre jobb minőség és a költséghatékonyság miatt is nagy nyomás nehezedik. A nyomtatási folyamatok monitorozása és szabályozása kulcstényező, különben a szolgáltatások nem felelnek meg a magas elvárásoknak.

A felhasználó csak a megfelelő eszközökkel képes létrehozni az óhajtott tárgyat, mert kizárólag így tudja elkerülni a rejtett, belső hibákat, az alkalmazásoknál rosszul működő nyomtatási beállításokat. Ezek a problémák súlyos gépidő-, anyag- és utófeldolgozási kapacitásveszteségekhez, összességében komoly többletkiadásokhoz vezetnek.

A 3DP szoftverek és szolgáltatások egyik világvezető vállalata, a belga Materialise nemrég kiadott 3D fémnyomtatáshoz kidolgozott folyamatkontroll szoftvere és processzorszoftver fejlesztői készlete (BP SDK) komoly segítséget jelent a problémák megoldásához. Automatizált minőségellenőrzéssel és a printer paramétereinek konfigurálásával lehetővé vált a felhasználó nyomtatási folyamatok feletti teljes kontrollja.

A szoftver – mint ma szinte minden infokom újítás – mesterséges intelligenciával automatizálja a minőségellenőrzést. A nyomtatási folyamatok közbeni rétegekre vonatkozó adatokkal a felhasználó utófeldolgozás és a minőségvizsgálat előtt megtalálhatja a problémás részeket, kiderítheti a hibák okát.

E tevékenységgel a folyamatok minőségén javíthat, illetve megváltoztathatja a nyomtatási beállításokat. Minél korábban azonosítja a bajokat, annál jobban minimalizálja a veszteségeket, és az utófeldolgozást követően is kevesebb – kifejezetten drága – minőségellenőrzésre lesz szükség.

Mivel a nyomatok többszáz rétegből tevődnek össze, manuális értékelésük egyrészt időigényes, másrészt emberi hibákkal jár. Ezt küszöböli ki a porágy 2D-s képeivel, hőtérkép alkalmazásával a Materialise mesterséges intelligenciája. A folyamatszoftver a nagyvállalat CO-AM „minden egyben” platformjának integráns része, de attól függetlenül, önmagában is használható.

Több országban fejlesztenek hiperszonikus technológiákat. Elsősorban védelmi, katonai céllal készülnek, a Lockheed Martins például az Egyesült Államok haditengerészetét, a US Navy-t tervezi hiperszonikus rakétákkal felszerelni, a Northrop Grumman pedig 3D nyomtatást használ ezirányú technológiai fejlesztéseihez.

Az Arizonai Egyetem kutatói 1,2 milliós támogatást kaptak egy katonai program keretében, a hangsebességnél legalább ötször gyorsabb hiperszonikus sebességet tűrő anyagok fejlesztésére, 3D nyomtatására.

Terveik szerint kifejezetten 3D nyomtatásra szánt új fémötvözeteket dolgoznak ki. Munkájuk úttörő lesz, mert a jelenlegi additív gyártásban elterjedt fémeket nem használják erre a célra.

Hiperszonikus „környezetben” megváltoznak a feltételek, az anyagoknak többet kell elviselniük, mert magas a feszültségszint, a súrlódás és a légellenállás pedig sok és nehezen kezelhető hőt generál.

A kutatócsoport különféle eszközöket kíván fejleszteni: porágyas fúzióval működő 3D nyomtatórendszert, megolvadt fémeket porrá alakító gázporlasztót, tárgyak utófeldolgozására alkalmas vákuumkemencét.

Ha sikerül hiperszonikus sebességhez alkalmas 3D nyomtatás-specifikus anyagokat, ötvözeteket létrehozniuk, az ötvözetek vegytani jellemzőit úgy tehetik egyedivé, hogy a technológia könnyebben és „felhasználóbarátabb” módon működjön velük. Az ismert problémák megoldásával, a 3DP jobban alkalmazható a területre, a végtermékek jobbak és hatékonyabbak lesznek.

Az egyetem a hiperszonikus repülés és az űrkutatás terén elért eddigi vívmányait a legfontosabb eredményei között tartja nyilván, és az extrém környezetekre fejlesztendő anyagokban is nagyon komoly kihívást lát. 

Hosszútávú céljai támogatása miatt, az Egyesült Államok űrügynöksége, a NASA két új intézet alapítását jelentette be. A klímakutatás és a mérnöki diszciplínák számára kritikus területekre, a kvantumtechnológiára és a 3D nyomtatásra összpontosítanak majd.

A két Űrkutatási Kutatóközpontot amerikai egyetemek fogják vezetni, multidiszciplináris kutatásfejlesztéseik a NASA jövője szempontjából legfontosabb programokat fogják támogatni. Felsőoktatási intézmények, ipari szereplők és nonprofit szervezetek közösen vehetnek majd részt az űrkutatás lehetőségeit bővítő tudományos és technológiai munkában.

A NASA öt éven keresztül mindkét központot maximum tizenöt-tizenötmillió dollárral támogatja. 

Az Austini Texas Egyetem ad otthont a Kvantumútvonalak Intézetnek, ahol a kvantumérzékelés fejlesztésével a klímakutatásokat kívánják hatékonyan támogatni.

Az Additív Gyártás Modellalapú Minősítése és Tanúsítása Intézet (IMQCAM) projektet a világhírű pittsburghi Carnegie Mellon Egyetem (CMU) vezeti, és a Baltimore-i Johns Hopkins Egyetem szintén a vezetőséghez tartozik. 3D nyomtatással készülő fémobjektumok számítógépes modellezését és űrrepülési alkalmazásokban való alkalmazásaik bővítését hivatottak végezni.

A fémnyomtatás eddig is hasznosnak bizonyult ezen a területen, például rakétahajtóműveket is printeltek már. Működő tanúsításhoz és a nyomatok eredményes használatához viszont karakterjegyeik mostaninál jóval hatékonyabb előrejelzése szükséges. Ezeknek a daraboknak a belső szerkezete ugyanis nagyon eltér a más módszerekkel készültektől. Az Intézet a NASA és más szervezetek által napi szinten használt objektumok modelljeivel fog foglalkozni.

Részletes modellezéssel jobban érthetők a lehetőségeik és a korlátaik, előrejelezhető, hogy mi történik velük. A nyomatokról digitális ikreket készítenek, és új anyagok kiértékelését szintén tervezik.