I materiali a gradiente o materiali con classificazione funzionale o FGM e la stampa 3d

I materiali con classificazione funzionale per la stampa 3D ottengono una F.

Uno sviluppo entusiasmante e potenzialmente rivoluzionario a combustione lenta nella stampa 3D è quello dei materiali a gradiente (chiamati anche materiali con classificazione funzionale o FGM). Con gli MGF possiamo mescolare i materiali in modo tale da ottenere densità, durezze e composizioni di materiali differenti a livello di qualsiasi voxel. Fusione del fascio di elettroni, vari processi di deposizione diretta di energia e PolyJet sono solo alcune delle tecnologie potenzialmente in grado di utilizzare materiali a gradiente.

L’idea di controllare le proprietà in ogni voxel mi ispira enormemente. Non possiamo iniziare a immaginare come le parti sfumate potrebbero cambiare il modo in cui le cose possono essere fatte. Potremmo inserire zone di accartocciamento negli oggetti, progettare per l’usura in modo che parti particolari possano essere sostituite a intervalli prestabiliti, rendere gli oggetti conduttivi o magnetici in certe aree o impregnare diversi gradi di magnetismo su una parte.

Stratasys ha un rasoio che usano per illustrare il concetto. Le parti aderenti sono stampate morbide, le altre aree sono più simili a cuscini, la maniglia stessa è rigida e dura, ma c’è flessibilità nel collo. Tutte queste diverse qualità sulla stessa parte con la stessa stampante.

Immagina un carro armato corazzato in cui stampi una parete morbida e un’intercapedine d’aria mentre multiplex o mescoli materiali diversi sopra come gli strati di una torta. È possibile generare nuove configurazioni di armature reattive o materiali sandwich. Alcuni giubbotti antiproiettile aspirano contro i coltelli perché sono fatti per dissipare l’impatto dei proiettili e non fermare il taglio affilato di una lama. Se hai preso Dyneema o altro Kevlar e lo hai reso stampabile per consentire strutture a gradiente, potresti rimediare nella stessa fase di produzione.

Gran parte della ricerca sulla stampa 3D per la sfida del casco NFL si basa sul tentativo di creare strutture in grado di fermare impatti rapidi e acuti e più grandi e contundenti. Con le strutture in pendenza possiamo ottenere imprese simili, non solo per l’equipaggiamento di sicurezza ma per molte altre cose. Strati che assorbono le immagini o materiali flessibili per l’industria. Oppure immagina il tuo cruscotto, che potrebbe essere duro, rigido e liscio ma essere progettato per flettersi all’impatto. Oppure pensa all’isolamento acustico o alla riduzione delle vibrazioni e già molte applicazioni possono apparire. Le MGF sono entusiasmanti e sono in corso molte ricerche.

Le persone producono vetri funzionalmente classificati su sistemi a letto di polvere che si mescolano durante la stampa . Altri stanno cercando di imitare le funzionalità naturali creando compositi a gradiente e non sono soli . Alcuni documenti sembrano rivoluzionari di per sé, con questo team dell’ETH che esamina materiali con gradiente con risoluzione submicrometrica. Fabrisonic, Formalloy, MELD, GE, DMG Mori, Sciaky, Aerosint e Optomec sono solo alcuni dei fornitori di macchine sulle cui apparecchiature vengono realizzati questi materiali sfumati . Puoi persino stampare con materiali sfumati utilizzando l’elaborazione della luce digitale .

Allora, cosa trattiene lo sviluppo di materiali sfumati? Una volta, parlando con John Barnes , si è lamentato del fatto che era già così difficile ottenere le parti statiche giuste e che le parti del gradiente sarebbero state molto difficili da qualificare e controllare.

In effetti, il controllo della qualità sarebbe difficile per una parte del genere. Come potresti monitorare o verificare la durezza Shore di qualcosa con più durezze? Quale sarebbe anche il test? Come puoi verificare che una cosa del genere possa funzionare per 10 anni? Come sarebbe la simulazione? Come testate la sicurezza di una cosa del genere? Qual è la resistenza alla fatica di qualcosa se ha proprietà di fatica differenti? O come scopriamo che questa parte può effettivamente avere una temperatura di servizio continuo inferiore rispetto al materiale di cui è composta? Come potresti monitorare la creazione della proprietà giusta? Quindi, abbiamo un altro problema, come progettiamo queste parti? Come puoi farlo in CAD? 3MF potrebbe supportare un progetto per una parte con gradiente, ma come progettare esattamente quella parte?

Abbiamo già abbastanza problemi a insegnare a tutti a pensare in design for additive manufacturing (DfAM), ma come pensare in gradienti? Quando possiamo anche solo stabilire che questo avrebbe senso? Una scarpa stampata in 3D con gradiente sembra un’idea spettacolare, ma forse sarebbe molto più costosa di una convenzionale. Allo stesso tempo, una Croc è già una scarpa realizzata in un unico materiale e sarebbe molto meno costosa della nostra variante stampata.

Anche se c’è una vera eccitazione per quanto riguarda le MGF, ci troviamo in un vicolo cieco. Se non comprendiamo le implicazioni di qualcosa, non sappiamo come progettarlo e non possiamo concepirne gli usi, possiamo essere entusiasti, ma niente di più. Sarebbe come guardare l’approccio dell’era nucleare o del vapore rendendosi conto che o sognerai troppo poco o troppo. Da un lato, non diventerai più veloce dei “treni più veloci, immagino”, ma dall’altra penserai agli asciugacapelli e alle lavatrici a propulsione nucleare.

Quindi, se vogliamo abilitare una tecnologia abilitante, cosa facciamo? Dobbiamo creare un esempio che sia abbondantemente chiaro, conciso e che mostri bene i meriti di questa tecnologia. La staffa GE è il mio esempio preferito di questo. Mette in mostra il nostro linguaggio di progettazione ottimizzato per topologia simile a Geiger. Ha illustrato che la nostra tecnologia potrebbe avere ampie applicazioni e ha mostrato chiaramente che può far risparmiare peso, il che è chiaramente importante. Per proporre le MGF, abbiamo bisogno di un simile esempio. Quindi, un elemento generalmente dimostrabile, riconoscibile e utile che viene migliorato specificamente essendo una parte gradiente. Qualche idea su cosa dovrebbe essere? Perché ciò che sembra frenare questa generazione di materiali è la mancanza di comprensione e l’ispirazione sufficiente, non la tecnologia.

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