นักวิทยาศาสตร์ที่ Oak Ridge National Laboratory ของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ ได้บรรลุความก้าวหน้าสำคัญในการผลิตแบบเติมวัสดุด้วยระบบพิมพ์ 3 มิติรุ่นใหม่ เทคโนโลยีนวัตกรรมนี้แก้ไขปัญหาที่มีมายาวนานในการพิมพ์ 3 มิติในระดับอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ พร้อมทั้งนำเสนอความสามารถที่ไม่เคยมีมาก่อนสำหรับการผลิตด้วยวัสดุหลากหลายชนิด
การออกแบบ Multiplexed Nozzle แบบปฏิวัติ
หัวใจสำคัญของนวัตกรรม Oak Ridge อยู่ที่แนวทาง multiplexed nozzle ซึ่งเปลี่ยนแปลงแนวคิดพื้นฐานเกี่ยวกับการทำงานของการพิมพ์ 3 มิติขนาดใหญ่ แทนที่จะพึ่งพา extruder ขนาดใหญ่ตัวเดียวที่ต้องการระบบรองรับที่มีราคาแพงและหนักหน่วง เทคโนโลยีใหม่นี้รวม extruder ขนาดเล็กหลายตัวที่ทำงานร่วมกันเพื่อส่งพอลิเมอร์หลอมเหลวผ่านกระแสเดียว การออกแบบที่ก้าวหน้านี้ขจัดปัญหาน้ำหนักและความซับซ้อนทางกลที่เป็นปัญหาเรื้อรังของระบบการผลิตแบบเติมวัสดุในระดับอุตสาหกรรม
การปรับปรุงประสิทธิภาพหลัก:
- การลดรูพรุนภายใน: สูงสุดถึง 75%
- ความน่าเชื่อถือในการควบคุมการไหล: ปรับปรุงแล้วที่ความเร็วต่ำกว่า 10% ของปริมาณงานสูงสุด
- การลดน้ำหนัก: บรรลุผลผ่านการใช้เครื่องอัดรีดขนาดเล็กหลายตัวแทนที่จะเป็นเครื่องอัดรีดขนาดใหญ่ตัวเดียว
การควบคุมการไหลที่ดีขึ้นและความยืดหยุ่นในการทำงาน
เครื่องพิมพ์ 3 มิติขนาดใหญ่แบบดั้งเดิมมีปัญหาการควบคุมการไหลที่ไม่ดีเมื่อทำงานด้วยความเร็วต่ำ โดยทั่วไปจะทำงานได้ไม่เสถียรเมื่อต่ำกว่า 10% ของความจุสูงสุด ระบบของ Oak Ridge แก้ไขข้อจำกัดสำคัญนี้โดยอนุญาตให้ผู้ใช้งานเปิดหรือปิด extruder แต่ละตัวภายในชุด multiplexed ได้อย่างเลือกสรร เมื่อพิมพ์รายละเอียดที่ซับซ้อนหรือชิ้นส่วนขนาดเล็ก ผู้ใช้งานสามารถลดอัตราการอัดขึ้นรูปโดยปิด nozzle บางตัว ในขณะที่การใช้งานที่ต้องการปริมาณสูงสามารถใช้ชุดเต็มเพื่อผลผลิตสูงสุด
ความสามารถในการพิมพ์วัสดุหลากหลาย
ระบบ multiplexed ช่วยให้สามารถพิมพ์ด้วยวัสดุที่แตกต่างกันพร้อมกัน เปิดโอกาสใหม่สำหรับการออกแบบชิ้นส่วนที่ซับซ้อน วิศวกรสามารถสร้างรูปทรงลูกปัดที่ซับซ้อนรวมถึงรูปร่างริบบิ้นและโครงสร้างแกนกับเปลือกได้โดยตรงจาก nozzle ความสามารถนี้ช่วยให้ผู้ผลิตสามารถปรับส่วนต่างๆ ของชิ้นส่วนเดียวให้เหมาะสมกับคุณสมบัติที่แตกต่างกัน เช่น ความแข็งแรง ความหนาแน่น หรือความยืดหยุ่น ทั้งหมดภายในการพิมพ์ครั้งเดียว
คุณสมบัติของระบบ:
- การตรวจสอบเลเซอร์แบบเรียลไทม์เพื่อความแม่นยำของลูกปัด
- แพลตฟอร์มซอฟต์แวร์ที่รองรับโพลิเมอร์หลายร้อยชนิด
- การกำหนดค่าเครื่องอัดรีดที่ปรับขนาดได้ (ไม่ระบุขีดจำกัดสูงสุด)
- ความสามารถในการพิมพ์วัสดุหลายชนิดพร้อมกัน
- ตัวเลือกการออกแบบลูกปัดแบบริบบิ้นและแกนกับเปลือก
ขนาดและตัวชี้วัดประสิทธิภาพที่น่าประทับใจ
ระบบของ Oak Ridge แสดงความสามารถด้านขนาดที่น่าทึ่ง สามารถผลิตวัตถุที่ยาวถึง 13 ฟุต กว้าง 6.5 ฟุต และสูง 8 ฟุต นอกเหนือจากขนาดแล้ว เทคโนโลยีนี้ยังให้การปรับปรุงคุณภาพอย่างมาก ลดรูพรุนภายในของงานพิมพ์ขนาดใหญ่ได้ถึง 75 เปอร์เซ็นต์เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการแบบดั้งเดิม การลดรูพรุนนี้แปลงเป็นผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปที่แข็งแรงและทนทานมากขึ้นที่ตรงตามข้อกำหนดทางอุตสาหกรรมที่เข้มงวด
ขนาดพื้นที่การพิมพ์สูงสุด:
- ความยาว: 13 ฟุต (4.0 เมตร)
- ความกว้าง: 6.5 ฟุต (2.0 เมตร)
- ความสูง: 8 ฟุต (2.4 เมตร)
การตรวจสอบแบบเรียลไทม์และการรวมซอฟต์แวร์
ระบบนี้ประกอบด้วยเทคโนโลยีการตรวจสอบด้วยเลเซอร์ขั้นสูงที่ติดตามความแม่นยำของลูกปัดที่อัดขึ้นรูปแบบเรียลไทม์ เพื่อให้มั่นใจว่าชิ้นส่วนสำเร็จรูปตรงกับข้อกำหนดการออกแบบอย่างสม่ำเสมอ นักวิจัย Oak Ridge ได้พัฒนาแพลตฟอร์มซอฟต์แวร์ที่ครอบคลุมซึ่งจัดการการตั้งค่าวัสดุและพารามิเตอร์สำหรับพอลิเมอร์ที่แตกต่างกันหลายร้อยชนิด ช่วยให้สามารถเปลี่ยนวัสดุได้อย่างรวดเร็วโดยไม่ต้องปรับเทียบบ่อยครั้ง
การประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมและผลกระทบในอนาคต
เทคโนโลยีนี้ได้สร้างความสนใจอย่างมากในหลายภาคส่วนแล้ว โดยอุตสาหกรรมการบิน การผลิตเรือ และกังหันลมกำลังสำรวจการประยุกต์ใช้สำหรับชิ้นส่วนที่มีความยืดหยุ่นมากขึ้น โครงการ Oak Ridge ก่อนหน้านี้ที่ใช้รูปแบบต่างๆ ของแนวทางนี้ได้ผลิตปีกเจ็ตทดลอง แม่พิมพ์กังหันลม ตัวถังรถยนต์ที่สมบูรณ์ และแคปซูลทดสอบเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์สำเร็จ แสดงให้เห็นถึงความหลากหลายของระบบในการรับมือกับความท้าทายการผลิตที่แตกต่างกัน
อุตสาหกรรมเป้าหมาย:
- การผลิตอากาศยาน
- อุตสาหกรรมทางทะเล
- การผลิตกังหันลม
- การผลิตวัสดุคอมโพสิตขั้นสูง
- การผลิตยานยนต์
- ส่วนประกอบเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์
ความสามารถในการขยายขนาดและศักยภาพเชิงพาณิชย์
นักวิจัย Oak Ridge เน้นย้ำว่าแนวทาง multiplexed นำเสนอความสามารถในการขยายขนาดที่ไม่จำกัด โดย extruder เพิ่มเติมสามารถรวมเข้าด้วยกันได้อย่างง่ายดายเพื่อให้ได้อัตราการผลิตที่สูงขึ้นโดยไม่กระทบต่อคุณภาพหรือการควบคุม เมื่อเทคโนโลยีเติบโตและต้นทุนลดลง คาดว่าประโยชน์จะขยายไปเกินกว่าการใช้งานในอุตสาหกรรมสู่ตลาดการพิมพ์ 3 มิติสำหรับผู้บริโภค อาจเหนือกว่าระบบ dual-nozzle ปัจจุบันในด้านความสามารถและประสิทธิภาพ