Более экологичный способ 3D-печати более прочных материалов

Исследователи MIT CSAIL разработали SustainaPrint - систему, которая усиливает только самые слабые зоны 3D-печати, добиваясь высоких результатов при меньшем количестве пластика.

3D-печать прошла долгий путь с момента своего изобретения в 1983 году Чаком Халлом, который стал пионером стереолитографии - метода, при котором жидкая смола превращается в твердые объекты с помощью ультрафиолетовых лазеров. За десятилетия 3D-принтеры превратились из экспериментальных диковинок в инструменты, способные производить все: от нестандартных протезов до сложных дизайнов продуктов питания, архитектурных моделей и даже функционирующих человеческих органов.

Но по мере развития технологии становится все труднее игнорировать ее воздействие на окружающую среду. Подавляющее большинство потребительских и промышленных 3D-принтеров по-прежнему используют пластиковые нити на нефтяной основе. И хотя существуют “более экологичные” альтернативы, изготовленные из биоразлагаемых или переработанных материалов, у них есть серьезный недостаток: они часто не такие прочные. Эти экологически чистые нити имеют тенденцию становиться хрупкими при нагрузке, что делает их непригодными для конструкционных работ или несущих деталей — именно там, где прочность имеет наибольшее значение.

Этот компромисс между экологичностью и механическими характеристиками побудил исследователей из Лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта Массачусетского технологического института (CSAIL) и Института Хассо Платтнера задать вопрос: возможно ли создавать объекты, которые в основном экологичны, но при этом остаются прочными там, где это необходимо?

Их ответ - SustainaPrint, новый программный и аппаратный инструментарий, разработанный, чтобы помочь пользователям стратегически комбинировать прочные и слабые нити, чтобы получить лучшее из обоих миров. Вместо печати всего объекта из высококачественного пластика система анализирует модель с помощью моделирования методом конечных элементов, предсказывает, где объект с наибольшей вероятностью подвергнется нагрузке, а затем укрепляет только эти зоны более прочным материалом. Остальную часть детали можно напечатать с использованием более экологичной и более слабой нити, что сократит использование пластика при сохранении целостности конструкции.

“Мы надеемся, что однажды SustainaPrint можно будет использовать в промышленных и распределенных производственных условиях, где местные запасы материалов могут различаться по качеству и составу”, - говорит аспирантка Массачусетского технологического института и исследователь CSAIL Максин Перрони-Шарф, которая является ведущим автором статьи, представляющей проект. “В этих условиях инструментарий тестирования может помочь обеспечить надежность доступных нитей, в то время как стратегия усиления программного обеспечения может снизить общий расход материала без ущерба для функциональности”.

В своих экспериментах команда использовала PLA PolyTerra от Polymaker в качестве экологически чистой нити и стандартный или прочный PLA от Ultimaker для армирования. Они использовали 20-процентный порог упрочнения, чтобы показать, что даже небольшое количество прочного пластика имеет большое значение. Используя это соотношение, SustainaPrint смог восстановить до 70 процентов прочности объекта, напечатанного полностью из высококачественного пластика.

Они напечатали десятки объектов, от простых механических форм, таких как кольца и балки, до более функциональных предметов домашнего обихода, таких как подставки для наушников, настенные крючки и горшки для растений. Каждый объект печатался тремя способами: один раз с использованием только экологически чистой нити, один раз с использованием только прочного PLA и один раз с гибридной конфигурацией SustainaPrint. Затем напечатанные детали подвергались механическим испытаниям путем вытягивания, изгиба или иного разрушения, чтобы измерить, какое усилие может выдержать каждая конфигурация.

Во многих случаях гибридные отпечатки сохранялись почти так же хорошо, как полноразмерные версии. Например, в одном тестировании с использованием куполообразной формы гибридная версия превзошла версию, полностью напечатанную из прочного PLA. Команда считает, что это может быть связано со способностью усиленной версии распределять нагрузку более равномерно, избегая хрупкого разрушения, иногда вызываемого чрезмерной жесткостью.

“Это указывает на то, что при определенных геометриях и условиях загрузки стратегическое смешивание материалов может фактически превзойти один однородный материал”, - говорит Перрони-Шарф. “Это напоминание о том, что механическое поведение в реальном мире полно сложностей, особенно при 3D-печати, где межслойное сцепление и выбор траектории движения инструмента могут неожиданным образом повлиять на производительность”.

SustainaPrint начинается с того, что позволяет пользователю загружать свою 3D-модель в пользовательский интерфейс. Выбирая фиксированные области и участки, к которым будут прикладываться усилия, программное обеспечение затем использует подход, называемый “Анализ методом конечных элементов”, для моделирования того, как объект будет деформироваться под воздействием напряжения. Затем программа создает карту, показывающую распределение давления внутри конструкции, выделяя области, подверженные сжатию или растяжению, и применяет эвристику для разделения объекта на две категории: те, которые нуждаются в усилении, и те, которые этого не делают.

Признавая необходимость доступного и недорогого тестирования, команда также разработала набор инструментов для тестирования своими руками, который поможет пользователям оценить прочность перед печатью. В комплект входит устройство для 3D-печати с модулями для измерения прочности при растяжении и изгибе. Пользователи могут подключить устройство к обычным предметам, таким как выдвижные планки или цифровые весы, чтобы получить приблизительные, но надежные показатели производительности. Команда сравнила свои результаты с данными производителя и обнаружила, что их измерения неизменно укладывались в одно стандартное отклонение, даже для нитей, прошедших несколько циклов переработки.

Хотя текущая система предназначена для принтеров с двойной экструзией, исследователи полагают, что при некоторой ручной замене нити накала и калибровке ее можно адаптировать и для установок с одним экструдером. В текущем виде система упрощает процесс моделирования, позволяя использовать только одно усилие и одну фиксированную границу для каждого моделирования. Хотя это охватывает широкий спектр распространенных вариантов использования, команда видит в будущей работе расширение программного обеспечения для поддержки более сложных и динамичных условий загрузки. Команда также видит потенциал в использовании искусственного интеллекта для определения предполагаемого использования объекта на основе его геометрии, что может позволить полностью автоматизировать моделирование напряжений без ручного ввода сил или границ.

Исследователи планируют выпустить SustainaPrint с открытым исходным кодом, сделав программное обеспечение и инструментарий для тестирования доступными для общественного использования и модификации. Еще одна инициатива, которую они стремятся воплотить в жизнь в будущем: образование. “В классе SustainaPrint - это не просто инструмент, это способ научить студентов материаловедению, строительной инженерии и экологичному дизайну в рамках одного проекта”, - говорит Перрони-Шарф. “Это превращает эти абстрактные концепции во что-то осязаемое”.

По мере того, как 3D-печать становится все более неотъемлемой частью процесса производства и прототипирования всего, от потребительских товаров до аварийного оборудования, проблемы экологичности будут только расти. С такими инструментами, как SustainaPrint, эти проблемы больше не должны возникать в ущерб производительности. Вместо этого они могут стать частью процесса проектирования: встроены в саму геометрию вещей, которые мы делаем.

Соавтор Патрик Бодиш, профессор Института Хассо Платтнера, добавляет, что “проект решает ключевой вопрос: какой смысл собирать материал с целью вторичной переработки, когда на самом деле нет плана когда-либо использовать этот материал? Максин представляет недостающее звено между теоретической / абстрактной идеей переработки материалов для 3D-печати и тем, что на самом деле требуется, чтобы сделать эту идею актуальной. ”

Перрони-Шарф и Баудиш написали статью вместе с научным сотрудником CSAIL Дженнифер Сяо; 24-летним магистрантом факультета электротехники и компьютерных наук Массачусетского технологического института Коулом Полином; 25-летним магистрантом Рэем Вангом SM и 19-летним аспирантом Тичой Сетапакди SM (оба члены CSAIL); аспирантом Института Хассо Платтнера Мухаммедом Абдуллой; и доцентом Стефани Мюллер, руководителем инженерной группы CSAIL по взаимодействию человека и компьютера.

Работа исследователей была поддержана грантом Designing for Sustainability от исследовательской программы MIT Designing for Sustainability-HPI. Их работа будет представлена на симпозиуме ACM по программному обеспечению и технологиям пользовательского интерфейса в сентябре.