MIT Desarrolla Una Impresora De Escritorio 3D Que Es 10 Veces Más Rápida Que Sus Contrapartes Existentes

MIT diseña una impresora 3D que es 10 veces más rápida que sus contrapartes comerciales

Colección de objetos y muestras de prueba impresas en la nueva impresora 3-D, incluida una silla en miniatura, un modelo simplificado del Edificio 10 en el MIT, armazones de anteojos, una copa en espiral y un engranaje cónico helicoidal. Imagen: Chelsea Turner (usando imágenes proporcionadas por los investigadores)

Ingenieros en MIT han desarrollado una nueva impresora 3D de escritorio que funciona hasta 10 veces más rápido que sus 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 similar en solo unos minutos.

La clave del ágil diseño del equipo radica en el cabezal de impresión compacto de la impresora, que incorpora dos nuevos componentes 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, que calienta 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 3D de mano 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 prototipo, tal vez un soporte o un engranaje, en cinco a 10 minutos en lugar de una hora, o una pieza más grande durante la pausa del almuerzo en lugar del día siguiente, puedo diseñar, construir y probar más rápido, ”Dice Hart, quien también es director del Laboratorio de Manufactura y Productividad del MIT y del Grupo de Mecanosíntesis. “Si soy un técnico de reparación y pudiera tener una impresora 3D rápida en mi vehículo, podría imprimir en 3D 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 Additive Manufacturing .

Flujo lento

En un artículo anterior, Hart y Go se propusieron identificar las causas subyacentes que limitan la velocidad de las impresoras 3D de escritorio más comunes, que extruyen plástico, capa por capa, en un proceso denominado en la industria como “fabricación de filamentos fundidos”.

“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 de la viabilidad de la impresión 3D es la velocidad a la que se puede imprimir algo”.

Hart y Go habían determinado previamente que las impresoras 3D de extrusión de escritorio comerciales, en promedio, imprimen a una velocidad de aproximadamente 20 centímetros cúbicos, o varias estructuras de ladrillos 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 material y hacer fluye.

“Luego, dada nuestra comprensión de lo que limita esas tres variables, preguntamos cómo diseñamos nosotros mismos una nueva impresora que pueda mejorar las tres en un sistema”, dice Hart. “Y ahora lo hemos construido y funciona bastante bien”.

Conseguir un control

En la mayoría de las impresoras 3D de escritorio, el plástico se alimenta a través de una boquilla mediante un mecanismo de “rueda de apriete”, en el que dos pequeñas ruedas dentro del cabezal de impresión giran y empujan el plástico o filamento hacia adelante. Esto funciona bien a velocidades relativamente lentas, 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 El cabezal de impresión puede empujar el material.

Hart and Go decidió eliminar el diseño de rueda de arrastre, reemplazándolo con un mecanismo de tornillo que gira dentro del cabezal de impresión. El equipo introdujo un filamento de plástico texturizado en el tornillo y, a medida que el tornillo giraba, se agarró a la superficie texturizada del filamento y pudo 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 del 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 utilizan la conducción para 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 personalizado 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 las alimentaciones más rápidas del plástico extrudido.

“Diseñamos el cabezal de impresión para que tenga alta fuerza, alta capacidad de calentamiento y la capacidad de ser movido rápidamente por la impresora, más rápido que las impresoras de escritorio existentes”, dice Hart. “Los tres factores permiten que la impresora sea hasta 10 veces más rápida que las impresoras comerciales que comparamos”.

Una vista 3D

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 de la boquilla a fuerzas y temperaturas tan altas que una capa impresa aún 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. Así que tenemos que enfriar la pieza activamente mientras se imprime, para mantener la forma de la pieza para que no se distorsione ni se ablande ”, 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 la 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”.

Esta investigación fue apoyada por Lockheed Martin Corporation.

Publicación: Jamison Go & A. John Hart, “Fabricación aditiva por extrusión rápida a escala de escritorio”, Fabricación aditiva, 2017; DOI: 10.1016 / j.addma.2017.10.016

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