L’esperienza nella stampa 3D e un po’ di sabotaggio rivelano nuove vette e meno sprechi
Gli scienziati di Argonne aiutano la start-up Phase3D a promuovere l’energia pulita e le nuove idee tecnologiche con la stampa 3D
Il programma Chain Reaction Innovations di Argonne ha riunito il principale scienziato dei materiali Xuan Zhang e Niall O’Dowd di Phase3D per migliorare i processi di stampa 3D .
Nella produzione tradizionale, i componenti vengono creati da blocchi più grandi di materiale grezzo (come l’acciaio) e i materiali in eccesso non utilizzati o gli scarti di lavorazione vengono gettati via o riciclati. Nei progetti di stampa 3D , bobine di fili simili al nylon o fili metallici – o metalli in polvere – possono essere fusi insieme, strato dopo strato, in componenti utilizzabili di quasi tutte le variazioni immaginabili.
Fino a poco tempo fa, la maggior parte dei componenti metallici stampati in 3D erano semplicemente prototipi. Ma sempre più aziende vogliono stampare in 3D parti commerciali per prodotti che vanno dall’uso nei razzi spaziali ai dispositivi ortopedici. Gli scienziati dell’Argonne National Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti ( DOE ) stanno lavorando con gli imprenditori per sfruttare ancora più vantaggi dalla stampa 3D di alta qualità con il metallo. Stanno esaminando come può aiutare l’industria statunitense a decarbonizzare i processi di produzione e aiutare nella lotta contro il cambiamento climatico.
“ Quello che vogliamo veramente ottenere è un cosiddetto’ costruzione ideale’, dove tutto è perfetto e non dovrebbero esserci problemi di prestazioni. Stiamo testando una nuova tecnologia che monitora il processo di stampa e rileva le anomalie che potrebbero compromettere le prestazioni della parte. Quindi, vogliamo risolverli. — Xuan Zhang, principale scienziato dei materiali, Argonne National Laboratory.
” La produzione additiva in metallo è un modo più sostenibile per realizzare parti perché genera meno rifiuti”, ha spiegato Niall O’Dowd, la cui start-up Phase3D fa parte del programma Chain Reaction Innovations (CRI) di Argonne, una borsa di studio di due anni per innovatori incentrato su energia pulita e tecnologie scientifiche. Il DOE finanzia programmi come CRI presso i laboratori nazionali attraverso il suo Lab-Embedded Entrepreneurship Program.” Ispezionando le parti nel momento in cui vengono stampate e riducendo i materiali complessivi utilizzati rispetto alla lavorazione convenzionale, possiamo migliorare i processi e ridurre le emissioni di gas serra”.
O’Dowd ha progettato software e hardware di monitoraggio ottico per ispezionare la qualità delle parti stampate durante il processo di stampa 3D . Utilizzando la luce strutturata, la tecnologia misura digitalmente l’altezza di quelli che sembrano strati di metallo incredibilmente sottili per rilevare i difetti nella fase iniziale. Questo può aiutare un produttore a interrompere una costruzione a metà del processo, adattarsi a qualsiasi problema e riprendere la stampa 3D di successo .
L’alternativa è stata quella di stampare un intero componente, testarne l’integrità strutturale al termine della costruzione e scartarlo se non supera l’ispezione e non soddisfa gli standard di qualità.
” Nella stampa 3D , possono esserci fino a decine di migliaia di strati che possono essere piccoli come un quinto della larghezza di un capello umano”, ha affermato O’Dowd.” Invece di utilizzare le immagini o il calore relativo del processo per trovare i difetti, abbiamo creato un sistema di ispezione affidabile che ispeziona l’altezza degli strati. Man mano che gli standard e le normative maturano, è davvero importante disporre di questo tipo di dati di ispezione”.
Xuan Zhang, uno dei principali scienziati dei materiali di Argonne, lavora con O’Dowd nel laboratorio di stampa additiva in metallo di Argonne. Garantisce un accesso sicuro al laboratorio e alla stessa stampante 3D .
“ Poiché lavoriamo con polveri così fini, quei materiali presentano dei rischi”, ha affermato Zhang, che è stata coinvolta nella documentazione di controllo del lavoro nel laboratorio di stampa 3D da quando ha contribuito a lanciarlo nel 2020.” Da un punto di vista scientifico, possiamo aiutare con preoccupazioni come la sicurezza del laser e i limiti di pressione. “
Attraverso il programma CRI , Zhang aiuta anche O’Dowd a interfacciarsi con il DOE e l’American Society of Mechanical Engineers per garantire che i materiali stampati soddisfino i requisiti di certificazione.
Inoltre, è nota per aiutarlo a sabotare le sue costruzioni. Introducendo deliberatamente un difetto, questo aiuta O’Dowd a testare le capacità di rilevamento della sua tecnologia.
“ In una costruzione casuale, a volte osserviamo un poro che misura solo decine di micrometri. Senza l’ispezione post-costruzione, non sappiamo se stiamo osservando fluttuazioni o anomalie”, ha affermato O’Dowd.” Invece, introduciamo deliberatamente un difetto che va da 20 a 200 micron, quindi testiamo la nostra tecnica. “
Man mano che le parti stampate in 3D si fanno strada dalle novità in plastica ai motori a reazione e ad altre parti dal design complesso, la necessità di dati che testimonino la qualità di tali parti non farà che aumentare.
“ Quello che vogliamo veramente ottenere è un cosiddetto’ costruzione ideale’, dove tutto è perfetto e non dovrebbero esserci problemi di prestazioni “, ha affermato Zhang.” Stiamo testando una nuova tecnologia che monitora il processo di stampa e rileva le anomalie che potrebbero compromettere le prestazioni della parte. Quindi, vogliamo risolverli.
L’Argonne National Laboratory cerca soluzioni ai pressanti problemi nazionali nel campo della scienza e della tecnologia. Il primo laboratorio nazionale della nazione, l’Argonne conduce ricerche scientifiche di base e applicate all’avanguardia praticamente in ogni disciplina scientifica. I ricercatori di Argonne lavorano a stretto contatto con ricercatori di centinaia di aziende, università e agenzie federali, statali e municipali per aiutarli a risolvere i loro problemi specifici, promuovere la leadership scientifica americana e preparare la nazione per un futuro migliore. Con dipendenti provenienti da più di 60 nazioni, Argonne è gestita da UChicago Argonne, LLC per l’ Office of Science del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti .
L’Office of Science del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti è il singolo più grande sostenitore della ricerca di base nelle scienze fisiche negli Stati Uniti e sta lavorando per affrontare alcune delle sfide più urgenti del nostro tempo.
(Immagine dell’Argonne National Laboratory.)