Этот 3D-принтер может выяснить, как печатать с неизвестным материалом

Исследователи разработали 3D -принтер, который может автоматически идентифицировать параметры неизвестного материала самостоятельно.Кредит: Массачусетский технологический институт

В то время как 3D -печать взорвалась в популярности, многие из пластиковых материалов, которые эти принтеры используют для создания объектов, не могут быть легко переработаны.В то время как новые устойчивые материалы появляются для использования в 3D -печати, их по -прежнему трудно принять, потому что настройки 3D -принтера необходимо отрегулировать для каждого материала, процесс, обычно выполняемый вручную.

Чтобы напечатать новый материал с нуля, обычно необходимо настраивать до 100 параметров в программном обеспечении, которое управляет тем, как принтер будет выдавать материал, поскольку он изготавливает объект.Обычно используемые материалы, такие как полимеры с массовым производством, установили наборы параметров, которые были уточнены в результате утомительных процессов проб и ошибок.

Но свойства возобновляемых и переработанных материалов могут широко колебаться на основе их композиции, поэтому фиксированные наборы параметров практически невозможно создать.В этом случае пользователи должны придумать все эти параметры вручную.

Исследователи решили эту проблему, разработав 3D -принтер, который может автоматически идентифицировать параметры неизвестного материала самостоятельно.Их статья опубликована в журнале, интегрируя материалы и производственные инновации.

Совместная команда из Центра битов и атомов MIT (CBA), Национального института стандартов и технологий США (NIST) и Национального центра научных исследований в Греции (Демокритос) модифицировала экстрадера, «сердце» 3D -принтера, чтобы это может измерить силы и поток материала.

Эти данные, собранные с помощью 20-минутного теста, подаются в математическую функцию, которая используется для автоматического генерации параметров печати.Эти параметры могут быть введены в готовое программное обеспечение для 3D-печати и используются для печати с помощью необычного материала.

Автоматически генерируемые параметры могут заменить около половины параметров, которые обычно должны быть настроены вручную.В серии тестовых отпечаток с уникальными материалами, включая несколько возобновляемых материалов, исследователи показали, что их метод может последовательно создавать жизнеспособные параметры.

Это исследование может помочь уменьшить воздействие аддитивного производства на окружающую среду, что обычно опирается на невозможно подлежащие обработки полимеров и смол, полученных из ископаемого топлива.

«В этой статье мы демонстрируем метод, который может взять все эти интересные материалы, которые основаны на биографии и изготовлены из различных устойчивых источников, и показать, что принтер может само по себе выяснить, как печатать эти материалы. Цель состоит в том, чтобы сделать 3D-печатьБолее устойчиво », - говорит старший автор Нил Гершенфельд, который возглавляет CBA.

Среди его соавторов первого автора Джейка прочитали аспиранта в CBA, который руководил разработкой принтера;Джонатан Сеппала, инженер -химик в отделе материаловедения и техники NIST;Филиппос Турломусис, бывший постдок ЦБА, который теперь руководит автономной научной лабораторией в Демокритосе;Джеймс Уоррен, который руководит программой генома «Материалы» в NIST;и Николь Баккер, научный сотрудник CBA.

При изготовлении плавного нити (FFF), которое часто используется при быстрого прототипирования, расплавленные полимеры экструдируются через нагретый слой сопла за слоем, чтобы построить часть.Программное обеспечение, называемое Slicer, предоставляет инструкции для машины, но Slicer должен быть настроен на работу с конкретным материалом.

Использование возобновляемых или переработанных материалов в 3D -принтере FFF особенно сложно, потому что существует так много переменных, которые влияют на свойства материала.

Например, полимер или смола на основе биографии может состоять из различных смесей растений на основе сезона.Свойства переработанных материалов также сильно различаются в зависимости от того, что доступно для переработки.

«В« Назад в будущее »есть блендер« мистер Фьюжн », где Док просто бросает все, что у него есть в блендер, и он работает [как источник питания для Delorean Time Machine]. Это та же идея здесь.В идеале, с переработкой пластмасс, вы можете просто измельчить то, что у вас есть, и печатать с ним. Но с текущими системами подачи, которые не сработают, потому что, если ваша нить значительно изменится во время печати, все сломается »,-говорит Рид.

Чтобы преодолеть эти проблемы, исследователи разработали 3D -принтер и рабочий процесс для автоматического идентификации жизнеспособных параметров процесса для любого неизвестного материала.

Они начали с 3D -принтера, который ранее разработала их лабораторию, который может собирать данные и обеспечивать обратную связь по мере его работы.Исследователи добавили три инструмента к экструдеру машины, которые проводят измерения, которые используются для расчета параметров.

Нагрузочная ячейка измеряет давление, оказываемое на печатной нити, в то время как датчик скорости подачи измеряет толщину нити и фактическую скорость, с которой он питается через принтер.

«Это слияние измерений, моделирования и производства лежит в основе сотрудничества между NIST и CBA, поскольку мы работаем над разработкой того, что мы называли« вычислительной метрологией », - говорит Уоррен.

Эти измерения могут использоваться для расчета двух наиболее важных, но трудно определить, параметры печати: скорость потока и температура.Почти половина всех настроек печати в стандартном программном обеспечении связана с этими двумя параметрами.

После того, как у них появились новые инструменты, исследователи разработали 20-минутный тест, который генерирует ряд показаний температуры и давления при разных скоростях потока.По сути, тест включает в себя установку насадки для печати при самой жаркой температуре, пропускание материала с фиксированной скоростью, а затем выключение обогревателя.

«Было действительно трудно понять, как сделать этот тест работать. Попытка найти пределы экструдера означает, что вы собираетесь разорвать экструдер довольно часто, пока вы его тестируете. Понятие выключения обогревателя и просто пассивноЧитает измерения, - говорит «Ага», - говорит Рид.

Эти данные вводятся в функцию, которая автоматически генерирует реальные параметры для конфигурации материала и машины на основе относительной температуры и входов давления.Затем пользователь может ввести эти параметры в программное обеспечение 3D -печати и генерировать инструкции для принтера.

В экспериментах с шестью различными материалами, некоторые из которых были на основе биографии, метод автоматически генерировал жизнеспособные параметры, которые последовательно привели к успешным отпечаткам сложного объекта.

Двигаясь вперед, исследователи планируют интегрировать этот процесс с программным обеспечением 3D -печати, поэтому параметры не нужно вводить вручную.Кроме того, они хотят улучшить свой рабочий процесс, включив термодинамическую модель горячего конца, которая является частью принтера, которая тает в нити.

Это сотрудничество в настоящее время более широко разрабатывает вычислительную метрологию, в которой выход измерения представляет собой прогностическую модель, а не просто параметр.Исследователи будут применять это в других областях передового производства, а также в расширении доступа к метрологии.

«Разрабонив новый метод автоматической генерации параметров процесса для изготовления плавных филаментов, это исследование открывает дверь для использования переработанных и биографических филаментов, которые имеют переменное и неизвестное поведение. Важно, это расширяет потенциал технологии цифрового производстваИспользование устойчивых материалов на местном уровне », - говорит Элисия Гармулевич, доцент, доцент на факультете административной и экономики в Университете Сантьяго в Чили, который не был связан с этой работой.

Больше информации: Джейк Роберт Рид и др., Онлайн -измерение для обнаружения параметров при изготовлении пласных филаментов, интеграции материалов и производственных инноваций (2024).Doi: 10.1007/s40192-024-00350-w