Modellazione computazionale della deposizione delle goccioline e della coalescenza per la produzione addizionale a goccia

I laureati ricercano la stampa 3D con deposizione di goccioline

Nella ” Modellazione computazionale della deposizione delle goccioline e della coalescenza per la produzione addizionale a goccia “, lo studente del master Priyanshu Vishnoi presenta una tesi alla Scuola di specializzazione dell’Università di Buffalo (Scuola di ingegneria chimica e biologica) incentrata sullo studio della stampa 3D con il metallo.

Usando lega Aluminium 6061 (un materiale spesso usato per i test), Vishnoi ha osservato non solo i benefici della produzione additiva su sottrattiva, ma ha anche analizzato l’uso di una nuova stampante 3D sviluppata da Vader Systems durante l’esame dell’uso della deposizione di gocce. Il ricercatore e il suo team hanno utilizzato una varietà di programmi matematici per comprendere meglio le interazioni tra goccioline d’aria e goccioline-substrato e hanno studiato le strutture che sono state effettivamente stampate in 3D per scoprire di più su come i parametri hanno impostato la fabbricazione interessata.

Vishnoi sottolinea che c’è stato un “accordo” positivo tra i modelli computazionali e i dati che hanno estratto. Il suo studio approfondisce alcuni aspetti relativi ai processi sottrattivi, ma sottolinea che la stampa 3D può sostituire quella manifatturiera tradizionale in quanto garantisce all’utente la possibilità di creare prototipi in metallo che altrimenti sarebbero stati troppo impegnativi o costosi. Indica inoltre ulteriori vantaggi per la stampa 3D come velocità e maggiore efficienza; tuttavia, Vishnoi e il suo team non sono certamente all’oscuro degli inconvenienti sia per la produzione industriale, come i costi complessivi di avvio, per mettere in atto i processi AM, che per controllarli. Anche il metallo non è l’unico materiale ampiamente utilizzato nella produzione additiva e l’elenco delle sostanze disponibili continua a crescere,

Per AM di metalli che utilizzano tecniche di eiezione di gocce, Vishnoi sottolinea che gli ostacoli operativi continuano ad essere un problema in termini di gestione termica, espulsione di gocce e pattern di gocce con deposizione, coalescenza e solidificazione. L’attuale ricerca si concentra sulla stampa drop-on demand con metallo, con le gocce che vengono estruse a intervalli regolari.

“Le stampanti 3D drop-on-demand sono comunemente costituite da un orifizio di piccole dimensioni, un serbatoio e una testina di stampa che genera un impulso di pressione in modo da creare una discontinuità nel flusso di fluido espulso”, afferma Vishnoi nel suo articolo.

“Al fine di creare un modello di goccioline accurato, un substrato viene posizionato sotto la testina di stampa. Il substrato si muove ad una velocità pre-programmata, che deve essere adattata alla frequenza dell’espulsione delle gocce. La frequenza di espulsione delle goccioline varia a seconda della forma della struttura da stampare. ”
Vishnoi e il suo team si sono concentrati esclusivamente sull’espulsione di gocce magnetoidropodinamiche (MHD). L’obiettivo era quello di essere in grado di produrre strutture più complesse utilizzando il processo Magnetojet , oltre a dettagliare il loro modello di calcolo.

Schema concettuale del processo di getto MHD
MHD non è certo un nuovo concetto, in uso dal 1907, con potenzialità per le moderne applicazioni nei seguenti campi:

Geofisica
Astrofisica
sensori
Targeting per farmaci magnetici
Produzione di energia
MHD è ancora ampiamente utilizzato per i processi di fusione, ma qui i ricercatori tentano di convertirlo in un nuovo metodo per la stampa 3D.

“Il processo di stampa MagnetojetTM è stato utilizzato per creare parti in alluminio con una frequenza di ripetizione fino a 1000 goccioline / sec, con una risoluzione di posizionamento delle gocce di 500 μm. Ha raggiunto un tasso di deposizione di massa fino a 1 libbra / ora basato su un singolo orifizio che genera goccioline con un diametro di 500 μm “, afferma Vishnoi nel suo articolo. “Inoltre, si tratta di un processo relativamente economico in grado di stampare parti con proprietà meccaniche migliorate grazie alla presenza di una struttura a grana metallica unica.”
Disegno schematico del sistema di stampa a metallo liquido DOD basato su MHD
Il team ha utilizzato il software Flow-3D per la propria analisi computazionale, studiando le dinamiche termo-fluidiche. Hanno scoperto che la solidificazione delle goccioline era influenzata da quanto segue:

Frequenza di espulsione
Temperatura
Velocità
Taglia
Spaziatura
Fattori di substrato
Hanno anche utilizzato i limiti di parete e pressione per applicare le condizioni antiscivolo e la pressione statica e di stagnazione. Il test è stato eseguito su un modello semplice con dieci goccioline stampate in primo luogo e geometrie più complesse fabbricate successivamente in fase di test.

I ricercatori dell’università hanno scoperto che la forma del prodotto aveva molto a che fare con il loro successo nella stampa 3D. La sovrapposizione delle gocce era un parametro importante in questa ricerca sulla stampa 3D, insieme alla frazione di sovrapposizione e all’espulsione delle gocce.

“Il processo è estremamente conveniente dal momento che utilizza materiale di alimentazione del filo metallico, eliminando così la necessità di polvere appositamente preparata. Rimangono, tuttavia, le sfide nel realizzare i parametri operativi ottimali di funzionamento e il miglioramento delle prestazioni complessive del processo. L’isolamento dei parametri critici di deposizione delle gocce consentirà al processo di costruire una gamma più ampia di strutture metalliche, come pilastri inclinati, sporgenze orizzontali ecc. Con elevata resistenza meccanica e minimo spreco di materiale “, hanno concluso i ricercatori. “Per risolvere questo problema, abbiamo presentato un approccio di modellazione computazionale, concentrandosi sul modello di deposizione delle goccioline. Questo modello può essere utilizzato per uno studio razionale e la progettazione del processo MagnetojetTM, così come processi simili drop-on-demand e sarà migliorato nel futuro 45 per includere fisica aggiuntiva,
Per il futuro, il team di ricerca auspica la progettazione di modelli stampati 3D simili utilizzando una varietà di diversi tipi di metalli versatili e leghe come ferro, titanio e nichel, che possono essere stampati ad alta temperatura.

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