Extrusionssystem für Materialien mit hoher Schwerkraft und Leistungssteigerung bei extrudierter Polymilchsäure

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 14224 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Die additive Fertigung (AM) hat in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit erlangt, da sie in der Lage ist, schnell und einfach komplexe Formen und Geometrien herzustellen, die mit herkömmlichen Fertigungsmethoden nur schwer oder gar nicht zu erreichen sind. Diese Studie stellt die Entwicklung eines High-Gravity-Materialextrusionssystems (HG-MEX) vor, das durch Zentrifugalbeschleunigung ein High-Gravity-Feld erzeugt. Dabei wird das Material durch Erhitzen der Düse gelöst und anschließend auf der Bauplattform abgelagert. Das Hauptziel dieser Forschung besteht darin, die positiven Auswirkungen der Schwerkraft auf die Materialextrusion (MEX) zu bewerten, die einen Schlüsselaspekt von AM darstellt. Um dies zu erreichen, wird eine kombinierte Maschine bestehend aus einer MEX-Einheit und einer Zentrifuge konstruiert. Dieses HG-MEX-System dient zur Analyse und Abbildung des Einflusses der Schwerkraft auf die Materialextrusion. Die experimentellen Auswertungen zeigen, dass die Anwendung hoher Schwerkraft ein vielversprechender Ansatz zur Verbesserung der Formgenauigkeit und Leistung der durch MEX hergestellten Teile ist. Insbesondere bestätigen unsere Ergebnisse die Machbarkeit der Nutzung von MEX unter hoher Schwerkraft, um die Leistung in AM-Prozessen zu verbessern.

Additive Fertigung (AM) wird typischerweise zur Herstellung dreidimensionaler Objekte durch sequenzielles Hinzufügen von Materialschichten eingesetzt1. Im Gegensatz zu herkömmlichen Fertigungsmethoden können mit additiver Fertigung problemlos komplexe Formen und Geometrien hergestellt werden, die ansonsten schwierig oder nicht realisierbar wären2,3,4,5. Darüber hinaus ist die Palette der in AM verwendeten Materialien vielfältig und umfasst Kunststoffe, Metalle, Keramik und sogar biologische Materialien6,7,8,9,10. Folglich hat AM ein breites Anwendungsspektrum in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und dem Gesundheitswesen11. Somit birgt AM das Potenzial, die Fertigung zu revolutionieren, indem es eine schnellere, effizientere und individuellere Produktion ermöglicht.

Ein bemerkenswertes Merkmal von AM ist seine Fähigkeit, die flexible Herstellung komplexer Formen und individuelle Designänderungen zu ermöglichen12. Sehhat et al.13,14 untersuchten die Auswirkung von Temperatur- und Materialschwankungen auf die mechanischen Eigenschaften von Teilen, die mittels Fused Deposition Modeling (FDM) hergestellt wurden. Darüber hinaus validierten sie die Spannungsumwandlung in anisotropem Material, das über FDM additiv hergestellt wurde. Darüber hinaus untersuchten Mohamed et al.15 die Optimierung von FDM-Prozessparametern. Darüber hinaus untersuchten Charalampous et al.16 die auf maschinellem Lernen basierende Optimierung des mechanischen Verhaltens von 3D-gedruckten Konstrukten, die über den FFF-Prozess hergestellt wurden. Darüber hinaus untersuchten Li et al.17 den Einfluss von Prozessparametern bei der Schmelzabscheidungsmodellierung auf den Bindungsgrad und die mechanischen Eigenschaften. Es wird erwartet, dass AM die Kerntechnologie des Fertigungssystems der nächsten Generation wird18,19,20. In den 2010er Jahren initiierte die NASA 3D-Drucktests in der Internationalen Raumstation mit dem Ziel, Nachhaltigkeit bei verschiedenen Weltraumaktivitäten sicherzustellen21. Ab 2020 erfordern die langfristigen Projekte mit Mond- und Marsmissionen Wartungs- und Reparaturkapazitäten in regulierten Weltraumumgebungen. In diesem Zusammenhang hat AM aufgrund seiner hervorragenden ressourcen- und platzsparenden Eigenschaften große Aufmerksamkeit erregt22. Sogar auf der Erde wurden die Mikrogravitationsfeldexperimente zu AM basierend auf Parabelflugexperimenten in den Vereinigten Staaten, China und Deutschland durchgeführt23.

Die oben genannten Forschungsbemühungen im Zusammenhang mit Mikrogravitations-AM haben gezeigt, dass Mikrogravitationsumgebungen für den Herstellungsprozess nicht förderlich sind. Bei der Mikrogravitations-AM ist die Fixierung des Materials auf der Bühne eine Herausforderung, und die Restfehler in der Lagerstätte können aufgrund fehlender Auftriebskräfte nicht ausgeworfen werden. Mehrere AM-Studien haben versucht, eine dichte Materialversorgung zu erreichen und Mikroporen in der Lagerstätte zu beseitigen, selbst unter 1 G-Bedingungen24. Basierend auf den gemeldeten Ergebnissen gehen wir davon aus, dass mehrere Bewertungsindizes unter 1-G-Bedingungen verbessert werden. Somit dient diese Schlussfolgerung als Motivation für die Entwicklung einer neuartigen AM-Technologie, die Schwerkraftniveaus von mehr als 1 G nutzt. In dieser Hinsicht ist das High-Gravity-Materialextrusionssystem (HG-MEX) eine spezielle Anlage, die für den Betrieb unter hohen Bedingungen ausgelegt ist -Schwerkraftbedingungen und schafft so neue Möglichkeiten für kommerzielle und industrielle Anwendungen. HG-MEX kann möglicherweise bestimmte Herausforderungen im Zusammenhang mit AM im Weltraum und in der Schwerelosigkeit bewältigen. Somit kann es eine entscheidende Rolle dabei spielen, den Bedarf an effizienten und zuverlässigen Fertigungstechniken zu decken und AM im Weltraum und in Mikrogravitationsumgebungen voranzutreiben.

Diese Studie konzentriert sich auf die Materialextrusion (MEX), einen der am weitesten verbreiteten Prozesse in der Metall-AM. Beim MEX-Verfahren wird ein thermoplastisches Material geschmolzen und durch eine Düse extrudiert, um ein Objekt zu erzeugen25,26,27. MEX kann Teile mit ausreichender Genauigkeit und Qualität herstellen28,29,30. Die Flexibilität von MEX ermöglicht die Herstellung komplexer Geometrien und kundenspezifischer Produkte und macht es somit zu einem wertvollen Werkzeug für die Prototypenherstellung und die Kleinserienfertigung31,32,33. Im Zusammenhang mit MEX könnte die Schwerkraft möglicherweise mehrere Auswirkungen auf den Prozess haben34,35,36,37,38. Abbildung 1 zeigt Unterschiede bei der MEX-Methode aufgrund von Änderungen der Schwerkraft.

Unterschiede in der MEX-Methode aufgrund von Änderungen der Schwerkraft.

In dieser Studie wurde ein HG-MEX-System mit einer maximalen Leistung von 32 G (1 G = 9,81 m/s2) entwickelt und die Auswirkungen einer hohen Erdbeschleunigung auf den Prozess und die Produkte bewertet. Obwohl die Nutzung des AM-Prozesses in der Mikrogravitation als mögliche Produktionsmethode im Weltraum große Aufmerksamkeit erregt hat, wurden keine Untersuchungen durchgeführt, um aktiv eine hohe Beschleunigung auf den MEX-Prozess anzuwenden. Hohe Schwerkraft kann dem MEX verschiedene positive Effekte verleihen. Daher wird in diesem Vorschlag die Erdbeschleunigung als ein kontrollierbarer Faktor angesehen, der ein erhebliches Potenzial zur Verbesserung des MEX-Prozesses aufweist. In dieser Studie wurden Experimente mit verschiedenen Gravitationsbeschleunigungen von 1 bis 32 G durchgeführt, und die Ergebnisse zeigen, dass die hohe Gravitationsbeschleunigung die MEX-Genauigkeitsleistung der gefertigten Teile verbessert.

Um ein HG-MEX-System zu entwerfen, muss jede Komponente sorgfältig geprüft werden, um ein effizientes und effektives Brauen zu gewährleisten. Die Vernachlässigung einer dieser Komponenten kann zu verschiedenen Problemen führen, einschließlich negativer Auswirkungen auf die Qualität und Effizienz des Prozesses.

Die Zentrifugalkraft ist die scheinbare Kraft, die auf ein Objekt wirkt, das sich auf einer Kreisbahn bewegt und vom Rotationszentrum weg gerichtet ist. Es handelt sich um eine Trägheitskraft, die aus der Bewegung des Objekts entsteht und nicht aus einer physikalischen Wechselwirkung. In einem rotierenden System ist die Zentrifugalkraft die nach außen gerichtete Kraft, die Objekte vom Rotationszentrum wegdrückt. Diese Kraft wird im Allgemeinen in industriellen Prozessen genutzt, beispielsweise bei der Trennung fester Partikel von Flüssigkeiten oder Gasen in Zentrifugen. Abbildung 2 zeigt den Zusammenhang zwischen der Oberflächenspannung und der Schwerkraft in der Extrusionsdüse.

Materialeigenschaften während MEX.

Um den Materialauswurf aus der Austrittsöffnung zu ermöglichen, muss die Oberflächenspannung überwunden werden. Die Oberflächenspannung ist in Löchern mit kleinem Durchmesser besonders stark. Die Modellierungsauflösung in MEX hängt vom Durchmesser des Düsenaustrittslochs ab. Bei extrem kleinen Austrittslochdurchmessern kann das Material aufgrund der Oberflächenspannung nicht freigesetzt werden, wie in Abb. 2a dargestellt. Die Eötvös-Zahl (\({\mathrm{E}}_{\mathrm{o}}\)) wird als Index verwendet, um zu bewerten, ob das Material extrudiert werden kann; es wird durch die folgende Gleichung definiert.

wobei \(\Delta\uprho\) der Dichteunterschied ist; \(\mathrm{g}\) ist die Gravitationsbeschleunigung; \(\mathrm{L}\) ist der Lochdurchmesser; und \(\upsigma\) ist die Oberflächenspannungskraft. \({\mathrm{E}}_{\mathrm{o}}\) nimmt um den Faktor 1/n2 ab, wenn der Lochdurchmesser um den Faktor 1/n abnimmt; Folglich überwiegt die Oberflächenspannung, wodurch verhindert wird, dass MEX aus der Düse gelangt. Darüber hinaus kann die Oberflächenspannung die Eötvös-Zahl und die Materialformprozesse erheblich beeinflussen39,40,41,42,43. Im Wesentlichen besteht das Konzept darin, Partikel mit einer 1/n-fachen Größe auf ähnliche Weise wie die ursprünglichen Partikel zu bewegen. Durch die Verdoppelung der Abnahmerate für jede Kraft wird die Richtung des Beschleunigungsvektors auf den gleichen Wert gebracht wie die des ursprünglichen Teilchens. Abbildung 2b zeigt das Konzept der Bewegung von 1/n-fach großen Partikeln.

Ähnliche analoge Regeln können auch im Festphasenteil berücksichtigt werden. Wenn die Partikelgröße um den Faktor 1/n abnimmt, verringern sich die elektrostatischen und Fluidkräfte (d. h. Flächenkräfte) um den Faktor 1/n2 proportional zur Oberfläche bzw. Querschnittsfläche des Partikels. Die mit der n- oder n2-fachen Schwerkraft verbundenen Skalierungsfaktoren wurden untersucht, und diese Ähnlichkeitsregeln werden als „Analogie verschiedener Gravitationsfelder“ bezeichnet, wie von Dr. Koike44,45 vorgeschlagen. Die Analogieregeln können in gleicher Weise berücksichtigt werden. Durch die Berücksichtigung von Gravitationseffekten in Design und Prozess können die Auswirkungen der Schwerkraft untersucht und genauere und zuverlässigere Ergebnisse erzielt werden.

Der Einfluss der Schwerkraft auf MEX ist ein wichtiger Gesichtspunkt beim 3D-Druck, insbesondere bei Anwendungen, die hohe Präzision und Genauigkeit erfordern. Die Schwerkraft beeinflusst den Extrusionsprozess, indem sie beim Austritt aus der Düse eine nach unten gerichtete Kraft auf das Material ausübt, was zu unterschiedlichen Leistungsmerkmalen führen kann. Durch das Verständnis und die Berücksichtigung der Auswirkungen der Schwerkraft können hochwertige MEX-Objekte auch in anspruchsvollen Umgebungen hergestellt werden. Dies ist besonders wichtig für Anwendungen, bei denen der Einfluss der Schwerkraft auf die Gesamtqualität und Leistung des Objekts erheblich sein kann.

Im vorgeschlagenen HG-MEX-System wird die resultierende Beschleunigung der Zentrifugal- und Gravitationsbeschleunigung senkrecht zur Bauoberfläche angewendet. Die MEX-Einheit wird einer Rotationsbewegung unter Verwendung eines vertikalen axialen Typs ausgesetzt, und die resultierende Beschleunigung (\({a}_{r}\)), die auf die Modellierungsoberfläche wirkt, ist die Gravitationsbeschleunigung (\({\mathrm{a}} _{\mathrm{g}}\)) und Zentrifugalbeschleunigung (\({\mathrm{a}}_{\mathrm{c}}\)).

Die Zentrifugalbeschleunigung \({\mathrm{a}}_{\mathrm{c}}\) [m/s2] wird wie folgt ausgedrückt.

wobei \({\mathrm{r}}_{\mathrm{s}}\) [m] der Abstand vom Mittelpunkt des rotierenden Körpers zur Bauoberfläche ist und \({\upomega }_{\mathrm{s }}\) [rad/s] ist die Rotationsgeschwindigkeit. Die Rotationsgeschwindigkeit von \(\mathrm{N}\) [min−1] wird ausgedrückt als:

Die resultierende Beschleunigung \({\mathrm{a}}_{\mathrm{r}}\)[m/s2] wird ausgedrückt als:

wobei \({a}_{c}\) [m/s2] die Zentrifugalbeschleunigung und \({\mathrm{a}}_{\mathrm{g}}\) [m/s2] die natürliche Gravitationsbeschleunigung darstellt Beschleunigung (1 G) in Richtung senkrecht zur Erdoberfläche. Darüber hinaus wird der Zusammenhang zwischen der resultierenden Beschleunigung und der Drehzahl N [min−1] wie folgt ausgedrückt.

Basierend auf diesen Gleichungen wurde das Versuchsgerät in dieser Studie so konzipiert, dass es mit einem Drehtellerdurchmesser eine Rotationsgeschwindigkeit von 39,6 [rad/s] erreicht, was zu einer maximalen resultierenden Beschleunigung von 32 G (|r|= 0,2 m; N = 378,3) führt [min−1]) an die MEX-Einheit.

Um den Effekt der hohen Schwerkraft auf MEX zu kompensieren, muss ein spezielles 3D-Drucksystem im Weltraum oder anderen Feldern mit hoher Schwerkraft entwickelt werden. Da viele Werkzeugmaschinenhersteller bereits über hervorragende Techniken verfügen, um Objekte mit großer Masse mit hoher Geschwindigkeit und hoher Genauigkeit zu rotieren, ist eine kombinierte Maschine aus Zentrifuge und MEX-Einheit aus wirtschaftlicher Sicht vorzuziehen. Da die MEX-Einheit auf einem Rotationstisch installiert werden muss, ist ein kompakter und leichter Mechanismus mit einer minimalen Anzahl von Komponenten für den Abscheidungsprozess wünschenswert. Durch die Rotation des Zentrifugensystems können Bedingungen mit höherer Schwerkraft geschaffen werden. Abbildung 3 zeigt das computergestützte 3D-Designmodell und das HG-MEX-Maschinensystem, die in dieser Studie entwickelt wurden.

Schematische Darstellung und Foto der entwickelten HG-MEX-Maschine.

In dieser Forschung wurde das High-Gravity-MEX-System eingesetzt. Durch die Steuerung der Motordrehzahl können unterschiedliche Grade der scheinbaren Schwerkraft erzeugt werden. Polymilchsäure (PLA) ist ein beliebtes thermoplastisches Material, das im 3D-Druck verwendet wird46,47. Die mechanischen Eigenschaften des in dieser Studie verwendeten PLA-Filaments sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Die MEX-Bedingungen können die Eigenschaften der hergestellten Teile auf verschiedene Weise beeinflussen, und die Anpassung dieser Bedingungen kann dazu beitragen, die gewünschten Eigenschaften zu erreichen37,48. Daher wurden hier Experimente mit unterschiedlichen Schwerkraftniveaus entworfen, indem eine geeignete Motorsteuerung ausgewählt wurde, die den Schwerkraftbedingungen und Zielen dieser Studie entspricht. Das PLA-Filament wurde vom Hersteller Voxelab bezogen. Darüber hinaus wurde der 3D-Druck bei einer Umgebungstemperatur von 25 °C und einer Extrusionsgeschwindigkeit von 10 mm/s durchgeführt. Für MEX wurden eine Düsentemperatur von 200 °C und eine Betttemperatur von 50 °C eingestellt. Das Material konnte auf natürliche Weise aus der Düse fließen und sich auf natürliche Weise ansammeln. Die Düse, eine Schlüsselkomponente in Flüssigkeitssystemen, ist für die Steuerung des Flüssigkeitsflusses verantwortlich. Die in dieser Studie verwendete Düsengröße betrug 0,4 mm. Das Filament wurde dem Extruder zugeführt und während des MEX-Prozesses durch die beheizte Düse geschmolzen.

Bei MEX haben wir durch Steuerung der Motordrehgeschwindigkeit verschiedene Schwerkraftbedingungen im Bereich von 1 bis 32 G simuliert. Durch die Aufstellung einer Kamera neben der MEX-Einheit wurde der MEX-Prozess erfasst. Beachten Sie, dass das Material, wenn es aus der Düse eines MEX-3D-Druckers extrudiert wird, eine Reihe physikalischer und chemischer Veränderungen durchläuft, wenn es erhitzt, geschmolzen und abgekühlt wird, um ein festes Objekt zu bilden. Der Prozess, bei dem ein Material aus einer Düse in einem MEX-3D-Drucker extrudiert wird, ist komplex und präzise.

Beim Auftragen des geschmolzenen Materials kühlt es ab und verfestigt sich, wodurch das Objekt entsteht. Betrachtet man den Fall, dass das Material direkt extrudiert wird, haben wir die Auswirkungen verschiedener Schwerkraftzustände auf den Extrusionsprozess verglichen. Der MEX-Prozess in AM wird durch die Schwerkraft beeinflusst. Wenn der Drucker unter Bedingungen hoher Schwerkraft betrieben wird, können die Kräfte und Faktoren der Schwerkraft dazu führen, dass sich das extrudierte Material anders verhält als unter 1-G-Bedingungen. Bei hoher Schwerkraft kann das Material stärker nach unten gezogen werden, was zu einer Ausdünnung und Dehnung führt. Dies führt zu einer Verringerung der Größe des extrudierten Materials und beeinträchtigt die Gesamtqualität des Objekts. Unterschiedliche Schwerkraftbedingungen führen zu unterschiedlicher Leistung des MEX. Abbildung 4 zeigt die Ergebnisse von MEX unter verschiedenen Schwerkraftbedingungen mit einer Düsengröße von 0,4 mm.

MEX unter verschiedenen Schwerkraftbedingungen.

Wenn das Material aus der Düse extrudiert wird, behält es aufgrund der Oberflächenspannung und seiner Eigenschaften tendenziell eine zylindrische Form bei. Die Oberflächenspannung bewirkt, dass die Oberfläche des Materials nach innen, also in Richtung der Mitte der zylindrischen Form, gezogen wird. Indem wir uns auf den Bereich konzentrierten, in dem das Material aus der Düse extrudiert wurde, stellten wir fest, dass unterschiedliche Schwerkraftbedingungen zu unterschiedlichen Leistungen führten.

Wenn man von der Stelle ausgeht, an der PLA gerade aus der Düse austritt, ist der MEX-Prozess fast ähnlich, aus Sicht der Liniengröße ist die Breite der Liniengröße im Hochgravitationsfeld (20 G, 25 G, 32 G) dünner als 1 G. Abbildung 5 zeigt eine Gesamtansicht des MEX, das mit einer Düsengröße von 0,4 mm erreicht wird.

Gesamtansicht des MEX mit einer Düse der Größe 0,4 mm.

MEX wurde mit einer Düsengröße von 0,4 mm erreicht. Mit dieser Düsengröße kann der Drucker feine Details und komplizierte Geometrien erzeugen. Unter verschiedenen Schwerkraftbedingungen ist der grundlegende Prozess der Modellbildung annähernd identisch und auch der Zustand des Modells ist ähnlich. Die mikroskopische Betrachtung von Extrusionsobjekten unter unterschiedlichen Schwerkraftbedingungen zeigt den Einfluss unterschiedlicher Schwerkraftniveaus auf MEX; Die beobachteten Unterschiede sind signifikant. Abbildung 6 zeigt die MEX-Ansicht unter verschiedenen Schwerkraftbedingungen unter Verwendung eines Mikroskops.

Einfluss unterschiedlicher Schwerkraftbedingungen auf MEX, unter dem Mikroskop betrachtet.

Bei PLA MEX mit hoher Schwerkraft nimmt die Liniengröße (L) mit zunehmender Schwerkraft ab und die MEX-Leistung verbessert sich im Vergleich zu unter 1 G. Die Liniengröße (L) des MEX unter Bedingungen hoher Schwerkraft ist deutlich kleiner unter 1 G. Bei einer Düsenextrusionstemperatur von 200 °C haben wir die MEX-Leistungen unter verschiedenen Schwerkraftfeldern verglichen. Die Schwerkraft beeinflusst das Verhalten eines Filaments, indem sie es nach unten zieht und so dazu führt, dass es sich ausdehnt oder durchhängt. Abbildung 7 zeigt die MEX-Leistungen unter verschiedenen Schwerkraftfeldern.

Leistung von MEX unter verschiedenen Schwerkraftbedingungen.

Abbildung 7a zeigt die Leistung der Liniengröße. Die MEX-Liniengröße (L) unter 1 G, 5 G, 10 G, 15 G, 20 G, 25 G und 32 G beträgt 555, 196, 165, 145, 133, 118 bzw. 114 μm. Die Liniengröße unter der Schwerkraftbedingung von 32 G (114 μm) ist kleiner als die unter 1 G (555 μm) erhaltene. Mit zunehmender Schwerkraft nimmt die Liniengröße ab. Insbesondere nimmt die Größe von 1 bis 32 G um etwa 79,5 % ab, von 5 bis 10 G um etwa 15,8 %, von 20 bis 25 G um etwa 11,3 % und von 25 bis 32 G. sie nimmt um ca. 3,4 % ab. Mit zunehmender Schwerkraft verringert sich also das Verhältnis der verringerten Größe.

Abbildung 7b zeigt die Gewichtsleistung von MEX unter verschiedenen Schwerkraftfeldern. Das Gewicht unter 1 G, 5 G, 10 G, 15 G, 20 G, 25 G und 32 G beträgt 72, 117, 126, 143, 220, 421 bzw. 573 mg. Mit zunehmender Schwerkraft nimmt das Gewicht zu. Insbesondere stieg das Gewicht von 1 auf 32 G um den Faktor 6,96, von 15 auf 20 G um den Faktor 0,54 und von 25 auf 32 G um den Faktor 0,36. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine höhere Schwerkraft gleichzeitig sowohl den Materialfluss als auch den MEX beschleunigt. Insbesondere die Schwerkraft beeinflusst den MEX und die Ablagegenauigkeit des Objekts. Durch die Berücksichtigung des Einflusses der Schwerkraft und die Implementierung von Strategien zur Abschwächung ihrer Auswirkungen können die MEX-Eigenschaften und die Ablagerungsgenauigkeit des Objekts verbessert werden.

Unter verschiedenen Schwerkraftfeldern führt die Wirkung der Schwerkraft möglicherweise zu einer relevanten Änderung der Oberflächenspannung. Die Oberflächenspannung spielt eine wichtige Rolle für das Verhalten des Materials, wenn es aus der 3D-Druckdüse extrudiert wird. Das aus der Düse extrudierte Material bildet eine Perle aus geschmolzenem Kunststoff. Wenn der Materialtropfen abkühlt und sich verfestigt, wird seine Form durch die Oberflächenspannung des Materials beeinflusst. Die Oberflächenspannung bewirkt, dass das Material nach innen in Richtung der Tropfenmitte gezogen wird. Daher kann eine hohe Schwerkraft zu einer stärkeren Kompression des Materials führen, was zu einer dünneren Extrusion und möglicherweise höheren Fließgeschwindigkeiten führt. Dadurch werden bei höherer Schwerkraft ein dünneres Extrudat und ein schnellerer Materialfluss erreicht. Dieses dünnere Extrudat beeinflusst die Geometrie in AM-Prozessen. Die kombinierte Wirkung dieser Faktoren führt zu unterschiedlichen Leistungen unter unterschiedlichen Gravitationsfeldbedingungen. Diese Eigenschaften sind vorteilhaft für die Erzielung einer präzisen Materialabscheidung, insbesondere bei komplizierten oder feinen Details des Objekts. Daher ist HG-MEX vielversprechend bei der Verbesserung der Form- und Fließgeschwindigkeitsleistung gefertigter Teile.

Diese Studie hat erfolgreich ein System entwickelt, das in der Lage ist, im MEX-Prozess ein hohes Gravitationsfeld zur Durchführung von MEX zu erzeugen. Der Einfluss der Erdbeschleunigung auf den Prozess und die hergestellte Lagerstätte wurde experimentell untersucht. Die erhöhten Gravitationskräfte können zu einer stärkeren Kompression des Materials führen, was im Wesentlichen zu einer dünneren Extrusion und möglicherweise höheren Fließgeschwindigkeiten führt. Diese Ergebnisse zeigen das vielversprechende Potenzial der hohen Schwerkraft in AM.

Diese Studie untersuchte die durch die Schwerkraft verursachten positiven Auswirkungen auf MEX, ein AM. Die experimentellen Ergebnisse deuten darauf hin, dass hohe Schwerkraftbedingungen die Formgenauigkeit der durch MEX hergestellten Teile verbessern können. Bemerkenswert ist, dass der MEX bei einem hohen Gravitationsfeld von 20 G oder mehr deutliche Verbesserungen zeigte, die bei höheren Wiederbeschichtungsgeschwindigkeiten besonders ausgeprägt waren. Die Liniengröße und das Gewicht verringerten sich unter 32 G um etwa 79,5 % bzw. stiegen um den Faktor 6,96 gegenüber denen unter 1 G. Diese Ergebnisse bestätigen die verbesserte Leistung von MEX unter hoher Schwerkraft und belegen die Anwendbarkeit von HG-MEX.

Die Ergebnisse legen nahe, dass das HG-MEX-System durch die Nutzung der hohen Schwerkraft deutliche Vorteile bietet, ohne die Materialzusammensetzung zu verändern. Die erhöhte Schwerkraft ermöglicht höhere Durchflussraten und ermöglicht die Herstellung dünnerer Extrudate. Diese Eigenschaften sind für eine präzise Materialabscheidung von Vorteil, insbesondere bei komplizierten oder feinen Details des Objekts. Somit birgt HG-MEX großes Potenzial für die Bewältigung verschiedener Herausforderungen im MEX. In der zukünftigen Forschung planen wir, noch höhere Schwerkraftbedingungen über 32 G zu erforschen und komplexere MEX-Szenarien zu untersuchen. Dies wird es uns ermöglichen, die beispiellosen Vorteile von HG-MEX, wie z. B. fehlerfreie Fertigung und verbesserte Oberflächenglätte, noch weiter zu entdecken.

Die während der aktuellen Studie verwendeten oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

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Dieses Papier basiert auf Ergebnissen eines Projekts des Kanagawa Institute of Industrial Science and Technology (KISTEC).

Forschungs- und Entwicklungsabteilung, Kanagawa Institute of Industrial Science and Technology, 705-1 Shimoimaizumi, Ebina, Kanagawa, 243-0435, Japan

Xin Jiang

Abteilung für Systemdesigntechnik, Keio-Universität, 3-14-1, Hiyoshi, Kohoku-ku, Yokohama, Kanagawa, 223-8522, Japan.

Xin Jiang & Ryo Koike

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RK konzipierte und betreute das Projekt. XJ führte die Experimente durch und analysierte und interpretierte die Daten. Alle Autoren diskutierten die Ergebnisse und trugen zum Verfassen und Überprüfen des Manuskripts bei.

Korrespondenz mit Ryo Koike.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Jiang, X., Koike, R. Materialextrusionssystem mit hoher Schwerkraft und Leistungssteigerung von extrudierter Polymilchsäure. Sci Rep 13, 14224 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-40018-7

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Eingegangen: 06. Juni 2023

Angenommen: 03. August 2023

Veröffentlicht: 30. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-40018-7

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