В то время как 3D-печать набирает популярность, многие пластиковые материалы, используемые в принтерах для создания объектов, не могут быть легко переработаны. Хотя появляются новые экологичные материалы для 3D-печати, их по-прежнему сложно использовать, поскольку настройки 3D-принтера необходимо настраивать для каждого материала, а этот процесс обычно выполняется вручную.
Чтобы напечатать новый материал с нуля, обычно необходимо задать до 100 параметров в программном обеспечении, которое контролирует, как принтер будет выдавливать материал при изготовлении объекта. Обычно используемые материалы, такие как полимеры массового производства, имеют установленные наборы параметров, которые были доведены до совершенства в ходе утомительных процессов проб и ошибок.
Но свойства возобновляемых и перерабатываемых материалов могут сильно колебаться в зависимости от их состава, поэтому создать фиксированные наборы параметров практически невозможно. В этом случае пользователям приходится придумывать все эти параметры вручную.
Исследователи решили эту проблему, разработав 3D-принтер, который может самостоятельно автоматически определять параметры неизвестного материала. Их работа опубликована в журнале Integrating Materials and Manufacturing Innovation.
Совместная команда из Центра битов и атомов Массачусетского технологического института (CBA), Национального института стандартов и технологий США (NIST) и Национального центра научных исследований Греции (Demokritos) модифицировала экструдер — «сердце» 3D-принтера, чтобы он мог измерять силу и расход материала.
Эти данные, полученные в ходе 20-минутного теста, поступают в математическую функцию, которая используется для автоматического создания параметров печати. Эти параметры могут быть введены в готовое программное обеспечение для 3D-печати и использованы для печати невиданным ранее материалом.
Автоматически генерируемые параметры могут заменить около половины параметров, которые обычно приходится настраивать вручную. Проведя серию тестовых отпечатков с уникальными материалами, включая несколько возобновляемых материалов, исследователи показали, что их метод может последовательно создавать жизнеспособные параметры.
Это исследование может помочь снизить воздействие на окружающую среду аддитивного производства, которое обычно опирается на неперерабатываемые полимеры и смолы, получаемые из ископаемого топлива.
«В этой работе мы демонстрируем метод, который позволяет взять все эти интересные материалы на биооснове и из различных устойчивых источников, и показать, что принтер может сам понять, как печатать этими материалами. Цель состоит в том, чтобы сделать 3D-печать более экологичной», — говорит старший автор работы Нил Гершенфельд, возглавляющий CBA.
Среди его соавторов — первый автор Джейк Рид, аспирант CBA, руководивший разработкой принтера; Джонатан Сеппала, инженер-химик из отдела материаловедения и инженерии NIST; Филиппос Турломусис, бывший постдок CBA, ныне возглавляющий лабораторию автономных наук в Demokritos; Джеймс Уоррен, возглавляющий программу генома материалов в NIST; и Николь Баккер, научный сотрудник CBA.
Изменение свойств материалов
В технологии изготовления из плавленой нити (FFF), которая часто используется для быстрого создания прототипов, расплавленные полимеры выдавливаются через нагретое сопло слой за слоем для создания детали. Программное обеспечение, называемое слайсером, дает инструкции машине, но слайсер должен быть настроен на работу с конкретным материалом.
Использование возобновляемых или переработанных материалов в 3D-принтере FFF особенно сложно, поскольку на свойства материала влияет множество переменных.
Например, полимер или смола на биооснове может состоять из различных смесей растений в зависимости от времени года. Свойства переработанных материалов также сильно варьируются в зависимости от того, что именно можно переработать.
В фильме «Назад в будущее» есть блендер «Мистер Фьюжн», в который Док просто бросает все, что у него есть, и это работает [как источник энергии для машины времени DeLorean]. Это та же идея, что и здесь. В идеале, при переработке пластика можно было бы просто измельчить то, что у вас есть, и печатать на этом. Но с нынешними системами подачи материала это не сработает, потому что если в процессе печати нить значительно изменится, все сломается», — говорит Рид.
Чтобы преодолеть эти трудности, исследователи разработали 3D-принтер и рабочий процесс для автоматического определения приемлемых параметров процесса для любого неизвестного материала.
Для начала они использовали разработанный ранее в лаборатории 3D-принтер, который может собирать данные и предоставлять обратную связь в процессе работы. Исследователи добавили в экструдер машины три прибора, которые производят измерения, используемые для расчета параметров.
Датчик нагрузки измеряет давление, оказываемое на нить для печати, а датчик скорости подачи измеряет толщину нити и фактическую скорость ее подачи через принтер.
Такое слияние измерений, моделирования и производства лежит в основе сотрудничества между NIST и CBA, поскольку мы работаем над созданием так называемой «вычислительной метрологии», — говорит Уоррен.
Эти измерения можно использовать для расчета двух наиболее важных, но трудно определяемых параметров печати: скорости потока и температуры. Почти половина всех настроек печати в стандартном программном обеспечении связана с этими двумя параметрами».
Получение набора данных
После того как новые инструменты были установлены, исследователи разработали 20-минутный тест, который генерирует серию показаний температуры и давления при различных скоростях потока. По сути, тест включает в себя установку сопла для печати на самую горячую температуру, подачу материала с фиксированной скоростью, а затем выключение нагревателя.
«Было очень сложно понять, как заставить этот тест работать. Попытка найти пределы возможностей экструдера означает, что во время тестирования вы будете довольно часто ломать экструдер. Идея отключить нагреватель и просто пассивно проводить измерения стала моментом «ага», — говорит Рид.
Эти данные вводятся в функцию, которая автоматически генерирует реальные параметры для материала и конфигурации машины на основе относительных значений температуры и давления. Затем пользователь может ввести эти параметры в программное обеспечение для 3D-печати и сгенерировать инструкции для принтера.
В экспериментах с шестью различными материалами, некоторые из которых были на биологической основе, метод автоматически генерировал жизнеспособные параметры, которые неизменно приводили к успешным отпечаткам сложных объектов.
В дальнейшем исследователи планируют интегрировать этот процесс в программное обеспечение для 3D-печати, чтобы не вводить параметры вручную. Кроме того, они хотят усовершенствовать свой рабочий процесс, включив в него термодинамическую модель горячего конца — части принтера, в которой расплавляется нить.
В настоящее время это сотрудничество более широко развивает вычислительную метрологию, в которой результатом измерения является прогнозная модель, а не просто параметр. Исследователи собираются применить этот метод в других областях передового производства, а также для расширения доступа к метрологии.
«Разработав новый метод автоматической генерации параметров процесса изготовления плавленых нитей, это исследование открывает возможности для использования переработанных и биологических нитей, которые имеют переменные и неизвестные характеристики. Важно отметить, что это расширяет возможности цифровых производственных технологий по использованию экологически чистых материалов местного производства», — говорит Алисия Гармулевич, доцент факультета управления и экономики Университета Сантьяго (Чили), которая не принимала участия в этой работе.
Не забудьте поделиться ;-)