LiquiFab – crafting with liquids in weightlessness

Productieproces

Beschouw een vloeibaar volume dat in een zwaartekrachtvrije omgeving wordt geïnjecteerd (door neutraal drijfvermogen of in een baan om de aarde). Wanneer het vrij zweeft zonder in contact te komen met enig ander oppervlak, zou zo'n volume een bolvorm aannemen die overeenkomt met zijn minimale energie. Het idee van 'LiquidFab' is dat dit volume nu in andere vormen kan worden 'geboetseerd' door het in contact te brengen met een of meer oppervlakken (wiskundig gezien, randvoorwaarden). De vloeistof neemt dan een nieuwe vorm aan, die overeenkomt met zijn nieuwe minimale energieconfiguratie die de randvoorwaarden respecteert. UV-licht wordt dan gebruikt om het polymeer uit te harden, wat resulteert in een vast object.

Belangrijkste kenmerken

LiquidFab is een additieve productiemethode, maar het is geen 3D-printen of gieten. Bij 3D-printen moet de injectiekop elke voxel bezoeken, wat de printtijd extreem lang maakt voor grote structuren. Bij LiquiFab, vergelijkbaar met gieten, wordt het volledige vloeibare polymeer in één keer geïnjecteerd en gevormd tot de uiteindelijke structuur. Bij LiquiFab is er echter geen mal. In plaats daarvan worden de grenselementen gebruikt om de gewenste vorm door oppervlaktespanning te sturen. LiquiFab objecten kunnen vol of hol zijn en worden door de oppervlaktespanning gekenmerkt door een extreme gladheid, in de orde van enkele angstroms RMS - beter dan welke bestaande polijstmethode dan ook. Net zo belangrijk is dat de methode geen afval heeft - er worden geen machinale bewerkingen, polijsten of andere materiaalverwijderingstechnieken gebruikt. Het volledige vloeistofvolume dat wordt geïnjecteerd wordt getransformeerd in het object van interesse.

Digitaal ontwerp en automatisering

We hebben een rekenpakket ontwikkeld waarmee de gebruiker willekeurige randvoorwaarden kan ontwerpen met willekeurige CAD-software, het volume van de geïnjecteerde vloeistof kan definiëren en een nauwkeurige voorspelling kan krijgen van het driedimensionale LiquiFab-object. De kern van het pakket is Surface Evolver - een krachtig rekenprogramma gemaakt door Ken Brakke [Experimental Mathematics, 1992, 1(2), 141-165.] dat een flexibele en dynamische omgeving biedt voor het modelleren van oppervlakken in de driedimensionale ruimte. Gebruikers kunnen oppervlakken definiëren als verzamelingen facetten die evolueren naar minimale energietoestanden onder invloed van gespecificeerde krachten. Deze voorspellingstool vormt de basis van ons robotsysteem, waarmee grote constructies kunnen worden gemaakt, zoals de gepresenteerde geodetische koepel, gemaakt van individuele en verschillende 'LiquiBricks'. De rekentools worden gebruikt om de robotarm te leiden, die de randvoorwaarden op de juiste locatie en oriëntatie plaatst en een geschikt vloeistofvolume injecteert om het gewenste segment te produceren.