I PRINCIPALI ACCADEMICI ADDETTI ALLA PRODUZIONE ADDITIVA FORNISCONO APPROFONDIMENTI SUI PIANI 2019 E RIESAMINANO LE ULTIME RICERCHE SULLA STAMPA 3D

Esperti di stampa 3D delle principali università di tutto il mondo ci hanno fornito una panoramica di ciò che 2019 detiene per la produzione additiva.

L’industria della stampa 3D ha chiesto ai professori delle università tra cui UC Berkeley, Cranfield University, Università di Birmingham e Columbia University di parlarci di alcuni dei nuovi sviluppi della ricerca sulla produzione additiva e dei progressi che vorrebbero vedere nel 2019.

Se vuoi sapere quali sono le previsioni dei leader del settore della stampa 3D per il 2019 , leggi il nostro articolo dettagliato.

Michael Petch, Industria della stampa 3D: Si prega di comunicare ai nostri lettori alcuni dei lavori e degli sviluppi recenti nella ricerca relativa alla produzione additiva / stampa 3D?

Prof. Kate Fox , Scuola di ingegneria della RMIT University

Qui al Centro per la produzione additiva presso l’Università RMIT abbiamo un grande sforzo di ricerca nella produzione additiva che coinvolge una vasta gamma di industrie e partner. Un esempio del nostro lavoro sulla progettazione e ottimizzazione della produzione per migliori prodotti 3D.

Abbiamo un forte tema di ricerca sugli impianti medici in cui stiamo scoprendo che la nostra tecnologia di impianto medico a base di lattice può essere progettata per assomigliare meglio al tessuto duro in termini di proprietà di stress e deformazione. Stiamo anche valutando lo sviluppo di nuovi materiali per impianti stampabili con nuove leghe di titanio e persino nuovi materiali per bio-interfacce come il diamante. Continuiamo il percorso nella tecnologia implantare just-in-time in cui miriamo a fabbricare e stampare un impianto in un periodo di tempo molto breve. Al di fuori delle applicazioni mediche stiamo esaminando le proprietà dei reticoli di Inconel, nonché le tecnologie di rivestimento e riparazione.


Prof. Hayden Taylor , Dipartimento di ingegneria meccanica, Università della California, Berkeley

Insieme ai nostri collaboratori di Lawrence Livermore National Lab abbiamo dimostrato una nuova categoria di processi di stampa 3D ispirata ai principi della tomografia computerizzata (CT). La TC è ampiamente utilizzata nell’imaging 3D ma non è stata applicata prima nella fabbricazione.

Con il nostro nuovo processo, litografia assiale calcolata (CAL), abbiamo dimostrato che è possibile creare rapidamente oggetti 3D in fotopolimeri esponendo il materiale a una serie di proiezioni di luce a sequenza temporale da diverse angolazioni (in genere> 1000 proiezioni) che sono calcolato da un modello 3D di un componente desiderato. I vantaggi includono la possibilità di stampare in una gamma più ampia di materiali rispetto ai processi a base di strato (dalle resine ad altissima viscosità agli idrogel morbidi), la capacità di stampare strutture strapiombanti senza supporto solido (il liquido è il supporto; campate fino a 25 mm); e la capacità di stampare attorno a oggetti solidi preesistenti. Il lavoro è riportato in Science .

Un primo piano di una stampa 3D (il Pensatore) prodotta sul replicatore. Foto via UC Berkeley.
Un primo piano di una stampa 3D (il Pensatore) prodotta sul replicatore. Foto via UC Berkeley.
Prof. Dr. Paul Dalton , Università di Würzburg, Dipartimento per i materiali funzionali in medicina e odontoiatria

Lavoro sulla stampa 3D ad alta risoluzione di oggetti con caratteristiche microscopiche, utilizzando una tecnica chiamata melt electrowriting (derivata dalla scrittura elettrostatica). Utilizza un fenomeno elettro-idrodinamico che consente di stabilire colonne fluide a basse portate caricando il fluido per impedire la rottura del getto. Quando si utilizzano i fusibili, questi getti fluidi si raffreddano e si solidificano in strutture microscala non ottenibili con le tecnologie di microestrusione. Ad esempio, la risoluzione minima di stampa per FDM è di circa 50 μm, mentre l’electrowriting del fuso può passare da 0,8 μm a 100 μm e cambiare questa dimensione durante una stampa con un singolo ugello. Si tratta di una nuova classe di produzione additiva con un futuro eccitante, che è particolarmente adatta come oggetto poroso per l’ingegneria biomedica e nelle applicazioni di filtrazione.

Prof. Will Boley , Università di Boston, Dipartimento di ingegneria meccanica

Recentemente ho lavorato su una serie di progetti davvero entusiasmanti sulla stampa di nuovi materiali e dispositivi per la robotica morbida, l’elettronica e l’ottica. Questi progetti includono elastomeri a cristalli liquidi da usare come forti attuatori morbidi, stampa 3D ibrida di conduttori morbidi con componenti a circuito integrato rigido per elettronica morbida e scrittura a inchiostro diretto ad alta temperatura operativa (HOT-DIW) di architetture eutettiche per applicazioni ottiche.

Prof. Aric Rindfleisch , John M. Jones Professore di marketing, direttore esecutivo dell’Illinois MakerLab , Università dell’Illinois

Stiamo facendo ricerche su come le persone reagiscono agli oggetti stampati in 3D. Stiamo scoprendo che le persone che vedono stampare un oggetto (ad esempio un apribottiglie) mostrano livelli più elevati di soddisfazione e una maggiore disponibilità a pagare rispetto alle persone che ricevono l’oggetto senza vederlo stampato. Questo è un effetto molto consistente e robusto. La nostra ricerca suggerisce che questo effetto è dovuto a un livello superiore di consapevolezza del processo di stampa 3D. Quindi, lo chiamiamo “Making Mindfulness”.

Dr. Filomeno Martina , docente senior in additive manufacturing, program manager WAAMMat, Cranfield University

Nel 2018 abbiamo prodotto diverse grandi strutture primarie in varie leghe metalliche. I risultati più importanti includono un telaio aerospaziale da 2m x 1,5mx 0,5m, in Ti64, costruito fuori dalla camera, utilizzando un innovativo dispositivo di schermatura locale, con sensori di monitoraggio integrati e proprietari, come gli interferometri laser in grado di monitorare la forma del depositare in situ e durante la deposizione effettiva.

Inoltre, è stato anche costruito e testato con successo un prototipo di recipiente a pressione per un veicolo spaziale di nuova generazione, di 1 m di altezza e 40 kg di massa. Tutte queste parti sono state programmate e costruite con un nuovo software CAM sviluppato da noi stessi. Il punto principale è l’automazione nella generazione del percorso utensile e il calcolo automatico di tutti i parametri di processo, che variano anche attorno al percorso utensile stesso per ottenere una densità del 100%, nessun difetto e la giusta geometria come da CAD file.

Questo è inaudito nel campo delle AM ​​su larga scala, ed è l’elemento chiave necessario per una rapida ripresa industriale. Altrimenti, gli operatori AM avrebbero bisogno di anni per imparare come realizzare con successo queste grandi parti. Realizzeremo commercialmente questo nuovo software e hardware avanzato, quest’anno, tramite il nostro nuovo spin-off WAAM3D , facendo passare 15 anni di know-how a tutti coloro che desiderano costruire parti metalliche eccellenti.

Prof. Joshua M. Pearce , Richard Witte Professore di Scienza dei Materiali e Ingegneria, Professore Dipartimento di Electrical & Computer Engineering, Direttore: Michigan Tech Open Sustainability Technology Lab , Michigan Technological University

Lo scorso anno, il Michigan Research Technology Research Group ha continuato a utilizzare stampanti 3D open source per realizzare apparecchiature scientifiche di fascia alta come micromanipolatori a basso costo e sistemi di deposizione a matrice di slot per semiconduttori. Quest’ultimo può sostituire i dispositivi da $ 4000 per una parte stampata in 3-D da 25 cent. Abbiamo anche completato uno studio importante sulla compatibilità chimica delle parti stampate 3D in modo da poter essere utilizzate per la chimica più avanzata in ambienti estremi come quelli che si trovano nelle camere bianche.

Dall’altra parte dello spettro, abbiamo fatto molto per semplificare la stampa 3D con materiali riciclati. Abbiamo sviluppato un dispositivo stampabile in gran parte 3-D, chiamato RepRapable recyclebot , che può trasformare la plastica di scarto in prezioso filamento di stampa 3D di alta qualità. Ciò ha molto senso dal punto di vista economico: ad esempio, abbiamo sprechi elettronici stampati in 3D in costose apparecchiature fotografiche .

Per alimentare questo sistema e consentire i materiali compositi (come i rifiuti di materiali plastici in legno ) abbiamo anche realizzato un pelletizzatore 3D a codice aperto . La società di produzione AM re: 3D ha collaborato con noi per dimostrare che è possibile stampare direttamente da pellet riciclati, granuli, particelle e rimacinato con stampanti 3-D di fabbricazione di particelle fuse . Questo tipo di sistema riduce il costo dei materiali stampati in 3-D a pochi centesimi di dollaro. Questo è particolarmente importante nel mondo in via di sviluppo e per la risposta alle crisi umanitarie così come la stampa di oggetti molto grandi. Stiamo ancora facendo progressi con le stampanti 3D in metallo a basso costo che utilizzano saldatori MIG come testine di stampa, dimostrando che è possibile creare oggetti utili che vanno dalle apparecchiature di laboratorio utilizzate intorno alle fiamme a quello che penso possa essere il primo 3D completamente ascia stampata .

Un mare di stampanti 3D Open Source. Foto via Joshua Pierce.
Un mare di stampanti 3D Open Source. Foto via Joshua Pierce.
Prof. Moataz Attallah , The Advanced Materials Processing Lab. (AMPLAB), IRC in Materials Processing School of Metallurgy & Materials, Università di Birmingham

La produzione additiva di strutture e materiali funzionali ha iniziato a mostrare il suo potenziale; l’uso della stampa 4D per generare strutture che sfruttano la sua funzionalità sia dalla forma che dal materiale. La stampa 4D implica l’uso della stampa 3D per generare una struttura che cambia nel tempo quando è interessata da uno stimolo esterno. In quanto tale, il materiale stampato deve essere un materiale funzionale (intelligente).

Nel 2016, abbiamo pubblicato un rapporto sulla lega di memoria a forma di auxetic (rapporto di Poisson negativo) (lega di TiNi). Le leghe TiNi cambiano forma se esposte alla temperatura a causa di una trasformazione di fase che si verifica. Questo è stato utilizzato in precedenza per il cablaggio di attuatori e strutture autoespandibili / gonfiabili. Usando la stampa 3D, possiamo creare strutture ancora più complesse. A seguito di questo lavoro, abbiamo ricevuto finanziamenti da EPSRC per lavorare sulla stampa 3D di lega a base di TiNi per stent; queste strutture si gonfieranno nelle arterie per eliminare la stenosi. Il progetto è in collaborazione con le università metropolitane di Loughborough e Manchester .

Abbiamo anche lavorato alla stampa 3D di materiali magnetici per la schermatura magnetica per applicazioni di metrologia quantistica.

Abbiamo anche pubblicato un paio di segnalazioni sulla stampa 3D di impianti medici droga erogazione.

Prof. Hod Lipson , ingegneria meccanica e scienze dei dati, Columbia University di New York

Stiamo concentrando la nostra ricerca su due aree che sono relativamente inesplorate commercialmente, dove l’orizzonte accademico a lungo termine ci consente di concentrarci. Un’area è la stampa alimentare – in particolare il multi-ingrediente, combinato con la cottura in linea usando i laser. Mentre la stampa degli alimenti è ancora nascente, credo che sia ideale per AM: complesso, su richiesta, consumabile ea casa. In effetti, la maggior parte delle persone non produce nulla a casa, ma tutti fanno il cibo. Ciò è particolarmente eccitante se si considerano le applicazioni per la salute in combinazione con la biometria e la medicina personale.

Una seconda area su cui ci stiamo concentrando è la stampa con l’elettronica incorporata. Capire come produrre sistemi funzionali complessi e integrati piuttosto che parti passive è impegnativo e al di là dell’orizzonte industriale. Ma una volta risolto, possiamo aprire molte nuove opportunità.

Infine, la combinazione di IA e AM è una partita fatta in paradiso. Molte aziende CAD stanno esplorando questo, ma la torta è enorme.

Impasto cotto da un laser blu. Credito fotografico Jonathan Blutinger Columbia Engineering
Impasto cotto da un laser blu. Credito fotografico Jonathan Blutinger Columbia Engineering
Prof. Amit Bandyopadhyay , Herman e Brita Lindholm Professore a contratto titolare, Fellow NAI, WSAS, AAAS, AIMBE, ASM e ACERS, Scuola di ingegneria meccanica e dei materiali, Washington State University

For the past three decades, AM or 3D Printing technology development are focused on producing simple and complex shapes in one manufacturing operation. Use of topology optimization in some cases could consolidate multiple parts into one redesigned part. However, in most cases, those parts can be manufactured via traditional manufacturing processes (perhaps using multiple steps) and AM is used to save time mostly for low volume production or design optimization.

L’anno prossimo e il prossimo decennio vedranno l’applicazione di AM in aree che non possono essere realizzate altrimenti dove le parti sono effettivamente progettate per AM e prodotte in un’unica operazione. E ciò avverrà con l’aiuto dell’AM multi-materiale in cui la composizione all’interno di una parte sarà variata in base alle proprietà / prestazioni richieste. Nel nostro lavoro, stiamo osservando come incorporare più metalli / leghe o metalli con la ceramica in una parte usando l’operazione AM. In caso di successo, questo approccio rimuoverà le varie operazioni di giunzione attualmente praticate per diverse parti metalliche. Credo fermamente che questo è il modo in cui AM crescerà organicamente nel prossimo decennio.

Michael Petch, Industria della stampa 3D: quali progressi si sono avvicinati alla produzione additiva / stampa 3D ti piacerebbe vedere nel 2019?

Prof. Kate Fox , Scuola di ingegneria della RMIT University

Nel 2019 spero di vedere più creatività e traduzione nella produzione additiva, in particolare nei dispositivi medici e negli impianti. Mentre nuovi materiali e progetti continuano a inondare la letteratura accademica, spero di vedere più valutazioni in vivo della tecnologia e della diffusione al di fuori del mondo accademico. Come questi impianti additivi resisteranno a lungo termine nel corpo umano rimane il grande sconosciuto.

Prof. Hayden Taylor , Dipartimento di ingegneria meccanica, Università della California, Berkeley

Penso che i tempi siano probabilmente maturi per software più avanzati per pianificare e controllare i processi di stampa 3D del fotopolimero in modi sofisticati. Mentre mi aspetto un maggiore interesse per le tecniche di additivi volumetrici per i polimeri, i processi di stampa 3D fotopolimerici basati su layer più consolidati continueranno naturalmente a ricevere molta attenzione. Ci sono stati alcuni eccitanti progressi recenti nella tecnologia di processo ( es. Inizio / inibizione della lunghezza d’onda della reazione di reticolazione) che può guidare lo sviluppo del software. Alcune opportunità per gli algoritmi di pianificazione del processo potrebbero includere l’illuminazione a scala di grigi in evoluzione temporanea ai bordi dei componenti per ridurre l’effetto “scalino” e gli algoritmi di correzione di prossimità per consentire la creazione di oggetti con dimensioni e densità spaziali altamente eterogenee (analogo al software utilizzato nella fotolitografia dei semiconduttori). Penso che ci sia spazio per sviluppatori di software indipendenti e contributi open-source in questo settore. Prevedo anche di vedere molta innovazione nella tecnologia di processo per consentire la modellazione multi-materiale all’interno della stampa di fotopolimeri a base di strati.

Prof. Dr. Paul Dalton , Università di Würzburg | JMU · Dipartimento per materiali funzionali in medicina e odontoiatria

Sarei entusiasta di vedere più diversità nelle tecnologie di produzione additiva piuttosto che miglioramenti incrementali a quelli che sono già stati stabiliti per decenni. Dal punto di vista di un accademico, nuove tecnologie di produzione additiva sono essenziali per aprire nuove nicchie all’interno di varie applicazioni. Un esempio di questo è l’emergere di CLIP / DLS che è uscito da un’università solo pochi anni fa e si è rapidamente sviluppato come una start-up. Carbon3D ha già sviluppato CLIP / DLS per applicazioni industriali.

Ho anche la responsabilità educativa di garantire che gli studenti del mio corso di produzione additiva abbiano pieno apprezzamento per le diverse opzioni di produzione additiva e apprezzino lo sviluppo a lungo termine e l’evoluzione di tali processi produttivi. Pertanto sessioni come TCT-Rapid a Detroit a maggio che illustrano le nuove tecnologie AM, sono importanti per l’ulteriore innovazione all’interno dell’industria.

Prof. Will Boley , Università di Boston, Dipartimento di ingegneria meccanica

Quest’anno mi piacerebbe vedere progressi nella stampa 3D di materiali stimolanti reattivi (cioè, la stampa 4D) con maggiore complessità e autonomia. Mi piacerebbe anche vedere la stampa funzionale portata in classe con esperienze pratiche. Sto lavorando per entrambi questi obiettivi e sono entusiasta di vedere come stanno facendo le altre persone nella comunità.

Prof. Aric Rindfleisch , John M. Jones Professore di marketing, direttore esecutivo dell’Illinois MakerLab , Università dell’Illinois

Sarebbe bello se la velocità della stampa 3D desktop FDM potesse essere migliorata. Forse questo potrebbe essere fatto sviluppando filamenti che si raffreddano più velocemente. Ciò aumenterebbe notevolmente l’appeal e la competitività della stampa 3D. Sarebbe anche utile se ci fossero più applicazioni incentrate sul consumatore (come Adidas Futurecraft ) che potrebbero mostrare ai consumatori quotidiani i vantaggi della stampa 3D .

Dr. Filomeno Martina , docente senior in additive manufacturing, program manager WAAMMat, Cranfield University

Nel 2019 spingeremo forte su quattro fronti:

Istruzione, con il lancio di un nuovo master in Metal Additive Manufacturing (con il supporto di Erasmus +) nel settembre 2019

Commercializzazione della nostra tecnologia, per rendere disponibile all’industria il nostro economico processo su larga scala. I nostri prodotti principali saranno software CAM per AM su larga scala; hardware specializzato; materiali di consumo approvati; e, naturalmente, formazione e supporto per i numerosi partner industriali che desiderano implementare il nostro processo AM

Ricerca, in cui continueremo a sviluppare nuovi metodi per ottenere proprietà migliori di quelle forgiate, usando il lavoro a freddo in-process; e sviluppare la prossima generazione di processi di deposizione di energia diretta per ottenere 10 kg / h con geometria a forma di rete. Stiamo anche lavorando su un framework di qualifiche basato sulla fisica che eviterà il costoso approccio di controllo della configurazione (in cui si bloccano feedstock, macchina e parametri) che altrimenti viene adottato oggi. Con il nostro nuovo metodo, dovrebbe essere possibile conseguire la qualifica in modo molto più rapido ed economico, a vantaggio della ripresa industriale.

Parti del dimostratore, spingendo ulteriormente i limiti con parti ancora più grandi, una costola primaria di 170 kg per un aereo commerciale.

Prof. Joshua M. Pearce , Richard Witte Professore di Scienza dei Materiali e Ingegneria, Professore Dipartimento di Electrical & Computer Engineering, Direttore: Michigan Tech Open Sustainability Technology Lab , Michigan Technological University

Nel 2019, mi piacerebbe vedere il continuo aumento esponenziale del numero di progetti stampabili 3-D liberi e open source . Poiché questi progetti proliferano e aumentano di complessità, aumenta il valore della stampante 3D di tutti, che dovrebbe continuare a spostare le vendite in avanti per tutte le aziende, ma in particolare quelle che offrono sistemi desktop per la produzione distribuita reale. Questa etica della condivisione guidata dalla comunità della stampa 3D continuerà ad espandersi nel resto della popolazione.

Penso anche che inizieremo a vedere molti nuovi mercati aperti – per esempio, le stampanti 3D diventeranno più comuni negli uffici di terapia fisica e occupazionale e nelle case di cura per aiutare a stampare adattamenti personalizzati per i pazienti affetti da artrite . Sembra anche che questo sarà l’anno di apertura per le stampanti a pellet che possono stampare direttamente in 3D da materiali di scarto scheggiato e pellet che costano 4-20 volte meno del filamento. Abbiamo appena appena graffiato la superficie della cornucopia di materiali moderni come i compositi che possono essere adattati per la stampa 3D. Mi aspetto di vedere molti nuovi materiali emergenti sia nella letteratura accademica che commercialmente per stampanti 3-D di tutti i tipi. Infine, ho appena aperto il mio corso di stampa 3D in open source su Wikiversità .

Chiunque può prenderlo gratuitamente e qualsiasi accademico può prendere in prestito alcuni (o tutti) per insegnare la stampa 3D nelle proprie scuole. Spero che questo aiuti l’anno prossimo a vedere un corso di stampa 3D in ogni scuola – ma se non lo è – abbiamo ancora il 2020.

Stampanti 3D a MTU. Foto via Joshua Pierce.
Stampanti 3D a MTU. Foto via Joshua Pierce.
Prof. Moataz Attallah , The Advanced Materials Processing Lab. (AMPLAB), IRC in Materials Processing School of Metallurgy & Materials, Università di Birmingham

Mi piacerebbe vedere il costo dei sistemi di stampa 3D diminuire significativamente, per consentire a molti Paesi in via di sviluppo di lavorare su questa tecnologia. Ho tenuto discorsi sulla stampa 3D in diversi paesi che stanno ancora trovando troppo difficile investire in macchinari costosi (ad es. Brasile , Egitto ). Vorrei spingere gli sviluppatori a considerare come rendere la tecnologia più accessibile.

Mi piacerebbe anche vedere una discussione più seria sulla gestione dello spreco della stampa 3D di metalli (e polimeri in una certa misura). Le polveri metalliche sono difficili da riciclare e difficili da separare. Mi piacerebbe vedere i produttori, la produzione di polveri, lavorare fianco a fianco con accademici e scienziati per sviluppare approcci per la produzione di additivi a base di polvere di scarto zero. Lo spreco di queste macchine è estremamente difficile da gestire, compreso il fango che si forma nei filtri a base di acqua o olio e la polvere che non può più essere riciclata.

Prof. Hod Lipson , ingegneria meccanica e scienze dei dati, Columbia University di New York

Stampa metallica più economica.

Prof. Amit Bandyopadhyay , Herman e Brita Lindholm Professore a contratto titolare, Fellow NAI, WSAS, AAAS, AIMBE, ASM e ACERS, Scuola di ingegneria meccanica e dei materiali, Washington State University

Mi piacerebbe vedere l’avanzamento in CAD per AM multi-materiali. Mi piacerebbe anche vedere più approcci all’apprendimento automatico integrati nella tecnologia AM.

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