Ziemassvētku eksperiments izvērsās par negaidītu zinātnisku atklājumu. Drukāšana bez piedevām un atkritumiem paver jaunas iespējas, un kosmosa izpēte var gūt labumu no šīs pārsteidzošās inovācijas.
Saturs
Mazā Ziemassvētku eglīte, kas pilnībā izgatavota no ledus daļiņām, negaidīti kļuva par Nīderlandes fiziķu pētniecības projekta zvaigzni . Šis projekts, kas ir tālu no vienkāršas sezonas kuriozitātes, ir daudzsološa inovācija aditīvā ražošanā un materiālu apstrādē ekstremālos apstākļos.
Ziemassvētku eglītes izveide no ledus ar 3D drukas palīdzību
Mazā eglīte, kuras augstums ir tikai astoņi centimetri, tika projektēta un izgatavota, izmantojot modificētu 3D printeri un ūdeni kā galveno materiālu. Saskaņā ar Amsterdamas Universitātes pētnieku teikto, kā “sprausla” drukāšanai tika integrēta ūdens strūkla, kas ļāva kontrolēt struktūras veidošanu. Eksperiments, kas publicēts žurnālā Nature, sākās kā veids, kā iejusties Ziemassvētku garā, bet drīz atklāja virkni tālejošu tehnisko un zinātnisko iespēju.
Ledus koka izveide demonstrē iespēju konstruēt sarežģītas formas, izmantojot tikai ūdeni, bez jebkādiem piedevām vai palīgvielām. Panākumu atslēga ir precīza laika un temperatūras kontrole, kā arī vides vadība ar vakuuma kameru un mehanizētu vadības sistēmu palīdzību drukāšanas procesā.
Iztvaikošanas dzesēšanas loma drukāšanā ar ledu.
Šī atklājuma pamatā ir fizikālais princips iztvaikošanas dzesēšana . Ikdienā mēs novērojam šo parādību, kad iztvaiko sviedri vai kad redzam tvaiku, kas ceļas no karsta dzēriena. Pētnieki piemēroja to pašu mehānismu laboratorijas apstākļos: izsmidzinot ūdeni konteinerā, kurā gaisa spiediens tika strauji samazināts ar vakuuma palīdzību, šķidruma molekulas uz virsmas ātri iztvaicējās tvaika veidā.
Šī pēkšņā un nepārtraukta siltuma izdalīšanās atņem siltuma enerģiju no šķidruma, izraisot tā temperatūras ievērojamu pazemināšanos dažu sekunžu laikā.
Komanda atklāja, ka ar ūdens strūklas diametru tikai 16 mikrometriem dzesēšanas ātrums izrādās ārkārtīgi augsts . Tas ir skaidrojams ar augsto virsmas platības un pilienu tilpuma attiecību, kas veicina efektīvu siltuma novadīšanu un ļauj ūdenim uzreiz sasalt, saskaroties ar drukas virsmu. Pateicoties šim kontrolējamam procesam, ledus struktūra var veidoties slānis pēc slāņa, pirms tā pilnībā sacietē.
Inovācija salīdzinājumā ar tradicionālajām ledus drukāšanas metodēm.
Pētnieku izstrādātā pieeja ir atkāpe no tradicionālajām ledus drukāšanas metodēm, kurām parasti bija nepieciešama dārga vai sarežģīta infrastruktūra, piemēram, pastāvīgi atdzesēti substrāti, šķidrais slāpeklis vai hēlijs, lai uzturētu ledus stabilitāti izstrādājumu ražošanas laikā. Turklāt lielākā daļa iepriekšējo metožu prasīja speciālu piedevu pievienošanu, lai uzlabotu materiāla apstrādājamību un saķeri.
Atšķirībā no tā, process, kas balstās uz iztvaikošanas dzesēšanu un caurspīdīgas vakuuma kameras izmantošanu, izslēdz nepieciešamību pēc piedevām un dārgas kriogēnās iekārtas. Ūdensstrūvas iekārta ir integrēta komerciālā 3D printerī, kas pielāgota darbībai vakuumā, un to precīzi kontrolē ar standarta programmatūru šādām iekārtām.
Tehniskais process un tīra ledus 3D drukas darbības princips
Tehniskā izstrāde ietver parastā 3D printera ekstrūzijas sprauslas aizstāšanu ar ultra tīra ūdens strūklu . Vakuuma kameras iekšienē nogulsnētais ūdens paliek šķidrā stāvoklī īsu laiku, aptuveni pussekundi, pirms sasalst. Šajā laikā daudzas pilieni saplūst un veido vienotu līniju, ko kopā tur šķidruma virsmas spriegums. Tūlīt pēc tam sākas ātra kristalizācija, un slānis pilnībā sacietē.
Precīza sasaldēšanas laika kontrole ir nepieciešama, lai nodrošinātu vienmērīgu slāņu savienojumu un saglabātu precīzu formu, kas norādīta digitālajā projektā, kas ievadīts printerī. Pēc konstrukcijas pabeigšanas pietiek vienkārši noņemt vakuumu, lai ledus izkūst bez atliekām un ķīmisko atkritumu veidošanās.
3D drukas ar ledu potenciālā ietekme un rūpnieciskā izmantošana.
Papildus savai vērtībai kā svētku dekorācija, 3D drukāšana ar ledu paver durvis inovācijām dažādās tehnoloģiju jomās . Ražojot kompozītmateriālus un konstrukcijas no sveķiem vai polimēriem, ledus formas vai matricas var izmantot kā pagaidu elementus, kurus pēc galīgās montāžas sacietēšanas var noņemt, vienkārši izkausējot ledu. Tas ir noderīgi, lai izveidotu iekšējos kanālus vai dobumus bez nepieciešamības tos mehāniski iztukšot.
Audu inženierijā 3D drukāšana ar ledu ļauj izveidot pagaidu karkasus biomedicīniskām un ķirurģiskām lietojumprogrammām, nodrošinot precīzu dobumu vai telpu veidošanos bioloģiski saderīgos materiālos.
Pilnīgi ekoloģisks process, kurā netiek izmantotas nekādas piedevas un kas pēc atkausēšanas neatstāj piesārņojumu, ir arī ievērojama ekoloģiska priekšrocība salīdzinājumā ar citām aditīvās ražošanas tehnoloģijām.
« Pēc drukāšanas pabeigšanas un vakuuma noņemšanas ledus tīri izkūst un pārvēršas ūdenī , neatstājot pēdas un atkritumus pēc apstrādes», — raksta komanda pētījumā.
Iespēja drukāt ar ledu ārpus Zemes.
Pētnieku interese neaprobežojas ar Zemi. Viens no visintriģējošākajiem pētījuma aspektiem ir iespēja izmantot šo tehniku ārpus Zemes, piemēram, uz Marsa virsmas. Pēc komandas teiktā, atmosfēras spiediens uz Marsa atrodas pielāgotā vakuuma printera darba diapazonā, kas ļaus astronautiem izmantot vietējo ledu detaļu un konstrukciju izgatavošanai uz vietas, novēršot nepieciešamību transportēt kriogēnos materiālus no Zemes.
Šie potenciālie pielietojuma jomas ļauj uzskatīt šo tehnoloģiju par perspektīvu variantu infrastruktūras būvniecībai un projektēšanai kosmosa misiju un planētu izpētes laikā, parādot, kā vienkārša Ziemassvētku eglīte no ledus var kļūt par perspektīvas tehnoloģijas sākumu.
