Как новый 3D-принтер автоматически справляется с разнообразными экологически чистыми материалам
Учёные разработали 3D-принтер, который способен самостоятельно определять характеристики неизвестного материала. Это достижение может способствовать большей устойчивости 3D-печати, позволяя использовать возобновляемые или перерабатываемые материалы, которые трудно охарактеризовать.
Хотя 3D-печать стала весьма популярной, многие пластиковые материалы, применяемые этими принтерами для создания объектов, сложно поддаются переработке. Несмотря на появление новых экологически чистых материалов для использования в 3D-печати, их внедрение остаётся сложным, поскольку параметры 3D-принтера необходимо вручную настраивать для каждого материала.
Для того чтобы напечатать новый материал с нуля, обычно нужно настроить до 100 параметров в программном обеспечении, которое управляет процессом экструзии материала принтером при создании объекта. Для широко используемых материалов, таких как массово производимые полимеры, существуют предустановленные параметры, которые были оптимизированы благодаря долгому и тщательному процессу проб и ошибок.
Однако свойства возобновляемых и перерабатываемых материалов могут значительно варьироваться в зависимости от их состава, поэтому создание фиксированных наборов параметров практически невозможно. В таком случае пользователи должны вручную устанавливать все эти параметры.
Данная диаграмма иллюстрирует элементы оснащенного экструдера, созданного учеными для 3D-принтера, осуществляющего печать методом плавления и экструзии. Устройства, встроенные в экструдер, включая датчик скорости подачи материала и тензометрический датчик, позволяют измерять параметры, необходимые для расчета характеристик материала.
Инновационные решения в технологии 3D-печати
Исследователи решили эту задачу, создав 3D-принтер, который способен автоматически определять параметры неизвестного материала.
Совместная группа из Центра битов и атомов MIT (CBA), Национального института стандартов и технологий США (NIST) и Национального центра научных исследований Греции (Demokritos) модернизировала экструдер, «сердце» 3D-принтера, чтобы он мог измерять силы и поток материала.
Эти данные, собранные в течение 20-минутного теста, вводятся в математическую функцию, которая используется для автоматического создания параметров печати. Эти параметры могут быть введены в стандартное программное обеспечение для 3D-печати и применяться для печати с новым материалом.
Учёные показали свой метод, установив параметры печати для шести различных комбинаций машины и материала, а затем напечатали разные модели, представленные здесь.
Автоматизация настроек параметров
Автоматически созданные параметры могут заменить около половины параметров, которые обычно нужно настраивать вручную. В ряде тестовых распечаток с использованием уникальных материалов, включая несколько возобновляемых ресурсов, исследователи продемонстрировали, что их метод способен стабильно генерировать жизнеспособные параметры.
Это исследование может способствовать снижению экологического воздействия аддитивного производства, которое обычно полагается на неперерабатываемые полимеры и смолы, произведенные из ископаемых источников.
«В этой статье мы демонстрируем метод, который может взять все эти интересные материалы, которые основаны на биологических источниках и сделаны из различных устойчивых источников, и показать, что принтер может сам определить, как печатать с этими материалами. Цель — сделать 3D-печать более устойчивой», — говорит старший автор Нил Гершенфельд, который возглавляет CBA.
Его соавторами являются ведущий автор Джейк Рид, аспирант CBA, который руководил разработкой принтера; Джонатан Сеппала, химический инженер из отдела материаловедения и инженерии NIST; Филиппос Турломоусис, бывший постдок CBA, который теперь возглавляет Лабораторию автономной науки в Demokritos; Джеймс Уоррен, который возглавляет Программу генома материалов в NIST; и Николь Баккер, научный сотрудник CBA. Исследование опубликовано в журнале Integrating Materials and Manufacturing Innovation.
Изменение свойств материалов
В методе послойного наплавления пластика (FFF), который широко применяется для быстрого прототипирования, расплавленные полимеры прессуются через нагретое сопло по слоям, чтобы создать деталь. Программное обеспечение, называемое слайсером, дает машине команды, но его необходимо настроить для работы с конкретным материалом.
Использование возобновляемых или переработанных материалов в 3D-принтере FFF особенно затруднительно, поскольку существует множество переменных, влияющих на свойства материала.
Например, биополимер или смола могут содержать различные растительные компоненты в зависимости от времени года. Свойства переработанных материалов также значительно варьируются в зависимости от того, какие материалы доступны для переработки.
«В фильме «Назад в будущее» есть блендер «Мистер Фьюжн», куда Док просто бросает все, что у него есть, и это работает [как источник энергии для машины времени ДеЛориан]. Та же идея и здесь. Идеально было бы с переработкой пластика просто измельчить то, что у вас есть, и печатать с этим. Но с текущими системами это не работает, потому что если ваш филамент значительно изменится во время печати, все сломается», — говорит Рид.
Для преодоления этих трудностей ученые создали 3D-принтер и рабочий процесс, который может автоматически определять оптимальные параметры для любого неизвестного материала.
Изначально они использовали 3D-принтер, ранее разработанный их лабораторией, способный собирать данные и предоставлять обратную связь в реальном времени. К этому принтеру исследователи добавили три устройства на экструдере, позволяющие измерять параметры, необходимые для их расчетов.
Тензометр фиксирует давление на печатный материал, а датчик скорости подачи измеряет толщину материала и фактическую скорость его прохода через принтер.
«Эта интеграция измерений, моделирования и производства лежит в основе сотрудничества между NIST и CBA, так как мы разрабатываем то, что мы назвали «вычислительной метрологией», — говорит Уоррен.
Эти данные могут быть применены для вычисления двух ключевых, но сложных для определения параметров печати: скорости подачи материала и температуры. Почти половина всех печатных настроек в стандартных программах связана с этими параметрами.
Создание набора данных
После внедрения новых инструментов учёные создали 20-минутный тест, который производит серию замеров температуры и давления при разных скоростях потока. Основное содержание теста заключается в том, что сопло принтера нагревается до максимальной температуры, материал подаётся с постоянной скоростью, после чего нагреватель отключается.
«Было действительно трудно понять, как сделать этот тест работающим. Попытка найти пределы экструдера означает, что вы будете часто ломать экструдер во время тестирования. Понятие выключения нагревателя и просто пассивного сбора данных было тем самым «ага» моментом», — говорит Рид.
Эти данные поступают в функцию, которая автоматически создает точные параметры для материала и конфигурации устройства на основании вводимых значений температуры и давления. Пользователь затем может использовать эти параметры в программном обеспечении для 3D-печати и генерировать команды для принтера.
В экспериментах с шестью разными материалами, включая некоторые биологического происхождения, метод автоматически формировал работоспособные параметры, которые последовательно обеспечивали успешную печать сложных объектов.
В будущем исследователи намерены объединить этот процесс с программным обеспечением для 3D-печати, чтобы избежать необходимости вручную вводить параметры. Помимо этого, они стремятся улучшить свой рабочий процесс путем включения термодинамической модели горячего блока принтера, который плавит филамент.
Данное сотрудничество теперь более интенсивно разрабатывает вычислительную метрологию, где результат измерений представляет собой предсказательную модель, а не просто параметр. Исследователи планируют использовать это в других сферах передового производства, а также для расширения доступа к метрологии.
«Разрабатывая новый метод автоматического создания параметров процесса для плавленой экструзии, это исследование открывает дверь для использования переработанных и биологических филаментов с переменными и неизвестными свойствами. Важно, что это увеличивает потенциал цифровой производственной технологии для использования местных устойчивых материалов», — говорит Алисия Гармулевич, доцент факультета управления и экономики Университета Сантьяго в Чили, которая не участвовала в этой работе.
Habrahabr.ru прочитано 1597 раз
