Joulukokeilu johti odottamattomaan tieteelliseen löytöön. Lisäaineettomalla ja jätteettömällä tulostuksella avautuu uusia mahdollisuuksia, ja avaruustutkimus voi hyötyä tästä hämmästyttävästä innovaatiosta.
Sisältö
Pieni joulukuusi, joka on valmistettu kokonaan jäähiukkasista, nousi yllättäen tähdeksi hollantilaisten fyysikoiden tutkimusprojektissa . Tämä projekti, joka on kaukana yksinkertaisesta kausiluonteisesta ihmeestä, on lupaava innovaatio additiivisessa tuotannossa ja materiaalien käsittelyssä äärimmäisissä olosuhteissa.
Joulukuusen luominen jäästä 3D-tulostuksen avulla
Pieni, vain kahdeksan senttimetrin korkuinen kuusi on suunniteltu ja valmistettu muokatulla 3D-tulostimella ja vedellä päämateriaalina. Amsterdamin yliopiston tutkijoiden mukaan tulostuksen ”suuttimena” käytettiin vesisuihkua, jonka avulla voitiin hallita rakenteen muodostumista. Nature-lehdessä julkaistu, kokeilu alkoi tavana päästä joulun tunnelmaan, mutta pian se avasi joukon kauaskantoisia teknisiä ja tieteellisiä mahdollisuuksia.
Jääpuun luominen osoittaa, että on mahdollista rakentaa monimutkaisia muotoja käyttämällä vain vettä ilman lisäaineita tai apuaineita. Menestyksen avain on tarkan ajan ja lämpötilan hallinta sekä ympäristön hallinta tyhjiökammiolla ja mekanisoidulla ohjausjärjestelmällä tulostusprosessin aikana.
Haihdutusjäähdytyksen rooli jääpainatuksessa.
Tämä keksintö perustuu haihdutusjäähdytyksen fysikaaliseen periaatteeseen. Arkielämässä näemme tämän ilmiön, kun hiki haihtuu tai kun näemme höyryä nousevan kuumasta juomasta. Tutkijat sovelsivat samaa mekanismia laboratorio-olosuhteissa: suihkuttamalla vettä säiliöön, jonka ilmanpaine oli laskettu jyrkästi tyhjiön avulla, nesteen molekyylit pinnalla haihtuivat nopeasti höyrynä.
Tämä äkillinen ja jatkuva lämmön vapautuminen vie nesteestä lämpöenergiaa, mikä aiheuttaa sen lämpötilan merkittävän laskun muutamassa sekunnissa.
Tiimi havaitsi, että kun vesisuihkun halkaisija on vain 16 mikrometriä, jäähdytysnopeus on erittäin korkea. Tämä johtuu pisaroiden pinnan ja tilavuuden suuresta suhteesta, joka edistää tehokasta lämmönpoistoa ja mahdollistaa veden välittömän jäätyminen kosketuksessa tulostuspintaan. Tämän hallitun prosessin ansiosta jäärakenne voi muodostua kerros kerrokselta ennen kuin se kovettuu kokonaan.
Innovaatio verrattuna perinteisiin jäälle tulostamisen menetelmiin.
Tutkijoiden kehittämä lähestymistapa poikkeaa perinteisistä jääpainatusmenetelmistä, jotka yleensä vaativat kallista tai monimutkaista infrastruktuuria, kuten jatkuvasti jäähdytettyjä substraatteja, nestemäistä typpeä tai heliumia, jotta jää pysyy vakaana tuotteiden valmistuksen aikana. Lisäksi useimmat aiemmat menetelmät vaativat erityisten lisäaineiden lisäämistä materiaalin työstettävyyden ja tarttuvuuden parantamiseksi.
Sen sijaan haihdutusjäähdytykseen ja läpinäkyvään tyhjiökammioon perustuva prosessi poistaa lisäaineiden ja kalliiden kryogeenisten laitteiden tarpeen. Vesisuihkulaitteisto on integroitu kaupalliseen 3D-tulostimeen, joka on sovitettu toimimaan tyhjiössä, ja sitä ohjataan tarkasti tällaisille laitteille tarkoitetulla vakiomuotoisella ohjelmistolla.
Tekninen prosessi ja puhtaan jään 3D-tulostuksen toimintaperiaate
Tekninen kehitys sisältää tavallisen 3D-tulostimen ekstruusiusuuttimen korvaamisen ultrapuhtaalla vesisuihkulla. Vesi, joka tiivistyy tyhjiökammion sisällä, pysyy nestemäisessä tilassa lyhyen ajan, noin puoli sekuntia, ennen kuin se jäätyy. Tänä aikana monet pisarat sulautuvat yhteen ja muodostavat yhtenäisen linjan, jota nesteen pintajännitys pitää yllä. Heti tämän jälkeen alkaa nopea kiteytys, ja kerros kovettuu kokonaan.
Jäädyttämisen ajan tarkka hallinta on välttämätöntä, jotta kerrokset yhdistyvät tasaisesti ja säilyttävät tarkasti digitaaliseen projektiin määritellyn muodon, joka on syötetty tulostimeen. Rakenteen valmistuttua riittää, että tyhjiö poistetaan, jotta jää sulaa jälkiä jättämättä ja ilman kemiallisten jätteiden muodostumista.
3D-jääpainatuksen potentiaalinen vaikutus ja teollinen käyttö.
Sen lisäksi, että 3D-tulostus jäällä on arvokas juhlakoriste, se avaa ovia innovaatioille eri teknologia-aloilla. Komposiittimateriaalien ja hartsista tai polymeereistä valmistettujen rakenteiden tuotannossa jäämuotit tai -matriisit voidaan käyttää väliaikaisina elementteinä, jotka lopullisen kokoonpanon ja kovettumisen jälkeen voidaan poistaa sulattamalla jää. Tämä on hyödyllistä sisäisten kanavien tai onteloiden luomisessa ilman tarvetta tyhjentää niitä mekaanisesti.
Kudostekniikassa 3D-jääpainatus mahdollistaa väliaikaisten tukirakenteiden luomisen biolääketieteellisiin ja kirurgisiin sovelluksiin, mikä takaa onteloiden tai tilojen tarkan muodostumisen biologisesti yhteensopivista materiaaleista.
Täysin ekologinen prosessi, jossa ei käytetä lisäaineita ja joka ei jätä sulamisen jälkeen jälkiä, on myös merkittävä ekologinen etu verrattuna muihin additiivisen valmistuksen tekniikoihin.
”Tulostuksen ja tyhjiön poistamisen jälkeen jää sulaa kokonaan ja muuttuu vedeksi, jättäen jälkiä tai jätteitä käsittelyn jälkeen”, tiimi kirjoittaa tutkimuksessaan.
Mahdollisuus tulostaa jäällä maan ulkopuolella.
Tutkijoiden kiinnostus ei rajoitu maapalloon. Yksi tutkimuksen mielenkiintoisimmista näkökohdista on mahdollisuus käyttää tätä tekniikkaa maan ulkopuolella, esimerkiksi Marsin pinnalla. Tiimin mukaan Marsin ilmakehän paine on mukautetun tyhjiöprinterin toiminta-alueella, mikä antaa astronauttien käyttää paikallista jäätä osien ja rakenteiden valmistamiseen paikan päällä, jolloin ei tarvitse kuljettaa kryogeenisiä materiaaleja Maasta.
Nämä potentiaaliset sovellusalueet tekevät tästä teknologiasta lupaavan vaihtoehdon infrastruktuurin rakentamiseen ja suunnitteluun avaruuslentojen ja planeettojen tutkimuksen aikana, osoittaen kuinka yksinkertainen jäästä tehty joulukuusi voi olla alku lupaavalle teknologialle.
