Η πράσινη εξέλιξη των τρισδιάστατων εκτυπωτών στο εργαστήριο

Μια ομάδα διεθνών ερευνητών έχει αναπτύξει μια προσαρμογή για να βοηθήσει πιθανώς στο πρόβλημα πολυμερών της τρισδιάστατης εκτύπωσης.

Για γρήγορες εργασίες δημιουργίας πρωτοτύπων, οι σχεδιαστές συχνά στρέφονται σε τρισδιάστατους εκτυπωτές κατασκευής συντηγμένων νημάτων (FFF). Σε αυτές τις μηχανές, τα τηγμένα πολυμερή τοποθετούνται το ένα πάνω στο άλλο χρησιμοποιώντας ένα θερμαινόμενο ακροφύσιο. Αυτή η διαδικασία υποστηρίζεται από αυτό που είναι γνωστό ως λογισμικό κοπής, το οποίο ενημερώνει τη συσκευή για όλες τις μικρές λεπτομέρειες, όπως η θερμοκρασία, η ταχύτητα και η ροή που είναι απαραίτητες για την κατασκευή ενός συγκεκριμένου επιθυμητού προϊόντος, αντί για μια άμορφη σταγόνα συσσωματωμένης γριάς. Αλλά ένας τεμαχιστής λειτουργεί μόνο για ένα αξιόπιστα ομοιόμορφο υλικό – αυτό δεν θα ήταν πολύ πρόβλημα, εκτός από το ότι τα περισσότερα από αυτά τα υλικά είναι συχνά μη ανακυκλώσιμα πλαστικά.

Όμως, χάρη στους μηχανικούς που συνεργάζονται μεταξύ του Κέντρου Bits και Ατόμων (CBA) του MIT, του Εθνικού Ινστιτούτου Προτύπων και Τεχνολογίας των ΗΠΑ (NIST) και του Εθνικού Κέντρου Επιστημονικής Έρευνας στην Ελλάδα, μια μικρή υπολογιστική λεπτομέρεια μπορεί τώρα να επιτρέψει μια απενεργοποίηση συσκευή ράφι για ανάλυση, προσαρμογή και επιτυχή χρήση υλικών εκτύπωσης που προηγουμένως δεν ήταν αναγνωρίσιμα σε πραγματικό χρόνο για τη δημιουργία πιο φιλικών προς το περιβάλλον προϊόντων.

Οι τρισδιάστατοι εκτυπωτές βασίζονται συχνά σε μη βιώσιμα υλικά, αλλά δεν μπορείτε απλώς να ανταλλάξετε αυτά τα πολυμερή με δυνητικά πιο βιώσιμες εναλλακτικές λύσεις. Σε αντίθεση με τα τεχνητά πολυμερή, οι φιλικές προς το περιβάλλον επιλογές περιέχουν ένα μείγμα από διάφορα συστατικά που έχουν ως αποτέλεσμα πολύ διαφορετικές φυσικές ιδιότητες. Τα πολυμερή φυτικής προέλευσης, για παράδειγμα, μπορούν να αλλάξουν ανάλογα με το τι είναι διαθέσιμο από εποχή σε εποχή, ενώ οι ανακυκλώσιμες ρητίνες κυμαίνονται ανάλογα με τα αρχικά υλικά τους. Μπορούν ακόμα να χρησιμοποιηθούν, αλλά οι παράμετροι λογισμικού μιας συσκευής θα χρειάζονταν μικροαλλαγές για κάθε παρτίδα. Και λαμβάνοντας υπόψη πώς ο προγραμματισμός ενός 3D εκτυπωτή περιέχει συνήθως έως και 100 ρυθμιζόμενες παραμέτρους, αυτό καθιστά τις ανακυκλώσιμες λύσεις δύσκολη.

[Related:


A designer 3D printed a working clone of the iconic Mac Plus


.]

Σε μια νέα μελέτη που δημοσιεύτηκε στο


Ενοποίηση Υλικών και Καινοτομίας Κατασκευής


οι μηχανικοί περιέγραψαν μια πρόσφατα σχεδιασμένη μαθηματική λειτουργία που επιτρέπει στο λογισμικό εξώθησης 3D εκτυπωτών να χρησιμοποιεί πολλαπλά υλικά, συμπεριλαμβανομένων βιομερών πολυμερών, ρητινών φυτικής προέλευσης ή άλλων ανακυκλώσιμων.

Αρχικά, οι ερευνητές πήραν έναν τρισδιάστατο εκτυπωτή που κατασκευάστηκε για να παρέχει ανατροφοδότηση δεδομένων ενώ εργάζεται και στη συνέχεια τον εξόπλισαν με τρία νέα εργαλεία για τη μέτρηση διαφόρων παραγόντων όπως η πίεση, το πάχος του νήματος και η ταχύτητα. Μόλις εγκατασταθεί, η ομάδα δημιούργησε μια δοκιμή 20 λεπτών κατά την οποία αυτά τα όργανα μέτρησαν ποικίλους ρυθμούς ροής καθώς και τις σχετικές θερμοκρασίες και πιέσεις. Μετά από μερικές δοκιμές και λάθη, οι μηχανικοί συνειδητοποίησαν ότι η καλύτερη προσέγγιση σε αυτό ήταν να ρυθμίσουν την πιο καυτή θερμοκρασία για το ακροφύσιο ενός τρισδιάστατου εκτυπωτή, γνωστό και ως «hotend», για προφανείς λόγους. Σε αυτή την περίπτωση, η μέγιστη θερμοκρασία του hotend ανταποκρίθηκε στο όνομα—290 βαθμοί Κελσίου, ή περίπου 554 Fahrenheit. Στη συνέχεια το ρύθμισαν να εξωθεί το νήμα με σταθερό ρυθμό, απενεργοποίησαν τη θερμάστρα και το άφησαν να τρέξει.

«Ήταν πραγματικά δύσκολο να καταλάβω πώς να λειτουργήσει αυτό το τεστ. Το να προσπαθείς να βρεις τα όρια του εξωθητήρα σημαίνει ότι θα σπάσεις τον εξωθητήρα αρκετά συχνά ενώ τον δοκιμάζεις», μεταπτυχιακός φοιτητής CBA και πρώτος συγγραφέας της μελέτης Jake Read

είπε σε δήλωση

την Δευτέρα. «Η ιδέα του να σβήνεις τον θερμαντήρα και να παίρνεις απλώς παθητικά μετρήσεις ήταν η στιγμή «αχα».

Στη συνέχεια, η Read και οι συνεργάτες τους εισήγαγαν τις πληροφορίες που συγκεντρώθηκαν από τη δοκιμή τους σε μια νέα μαθηματική συνάρτηση που υπολόγιζε αυτόματα τις εφαρμόσιμες παραμέτρους εκτύπωσης και τις ρυθμίσεις του μηχανήματος ανάλογα με το υλικό. Μόλις αυτά ήταν διαθέσιμα, η ομάδα απλώς εισήγαγε τις παραμέτρους στο λογισμικό του τρισδιάστατου εκτυπωτή και το άφησε να λειτουργήσει κανονικά.

Για να δοκιμάσουν το σύστημά τους, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν έξι διαφορετικά υλικά για να εκτυπώσουν τρισδιάστατα ένα μικρό παιχνίδι ρυμουλκό. Ακόμη και συμπεριλαμβανομένων των φιλικών προς το περιβάλλον επιλογών που προέρχονται από φύκια, ξύλο και βιώσιμο πολυγαλακτικό οξύ, οι μηχανικοί δεν ανέφεραν «κανενός είδους αστοχίες» στα μικρά μοντέλα σκαφών τους – αν και από αισθητική άποψη, οι ρητίνες ξύλου και φυκιών έκαναν μάλλον άκαμπτη εμφάνιση τελικά προϊόντα.

Ωστόσο, ενώ οι νέες τροποποιήσεις μπορεί να μην προσφέρουν ακόμη «πλήρη εκτίμηση με όλη τη φαινομενολογία και τη μοντελοποίηση που σχετίζεται με την εκτύπωση FFF», η ομάδα πιστεύει ότι το σύστημα δείχνει ότι «ακόμη και απλές μέθοδοι σε συνδυασμό με εξοπλισμένο υλικό και ροές εργασίας που συνδέουν μηχανές με κοπτήρες μπορούν έχουν πολλά υποσχόμενα αποτελέσματα».

Στη συνέχεια, οι ερευνητές ελπίζουν να επεκτείνουν τις προσπάθειές τους για υπολογιστική μοντελοποίηση, καθώς και να σχεδιάσουν έναν τρόπο ώστε οι παράμετροι δοκιμών να μπορούν να εφαρμόζονται αυτόματα σε έναν 3D εκτυπωτή αντί να απαιτείται χειροκίνητη εισαγωγή. Εν τω μεταξύ, έχουν κάνει τα μηχανικά σχέδια και τα κυκλώματα τους, καθώς και τους πηγαίους κώδικες του υλικολογισμικού, του πλαισίου και του πειράματος

διαθέσιμο στο διαδίκτυο

για να προσπαθήσουν οι άλλοι μόνοι τους.