Ez a 3D nyomtató képes kitalálni, hogy nyomtathat új anyaggal

Miközben a 3D nyomtatás népszerűsége robbanásszerűen megnőtt, a nyomtatók által a tárgyak létrehozásához használt műanyag anyagok közül sok nem hasznosítható újra könnyen. Bár egyre több új fenntartható anyagot használnak a 3D nyomtatásban, ezeket továbbra is nehéz használni, mivel a 3D nyomtató beállításait minden egyes anyaghoz be kell állítani, ami általában kézzel történik.

Egy új anyag nulláról történő nyomtatásához általában akár 100 paramétert is be kell állítani a szoftverben, amely szabályozza, hogy a nyomtató hogyan extrudálja az anyagot a tárgy előállítása során. Az általánosan használt anyagok, például a tömeggyártott polimerek, olyan paraméterkészletekkel rendelkeznek, amelyeket fáradságos, próba-hiba folyamatok során tökéletesítettek.

A megújuló és újrahasznosítható anyagok tulajdonságai azonban összetételük alapján nagymértékben változhatnak, így a rögzített paraméterkészleteket szinte lehetetlen létrehozni. Ebben az esetben a felhasználóknak kézzel kell kitalálniuk ezeket a paramétereket. A kutatók ezt a problémát egy olyan 3D nyomtató kifejlesztésével oldották meg, amely képes automatikusan, magától azonosítani egy ismeretlen anyag paramétereit.

Módosították a 3D nyomtató „szívét"

Az MIT Center for Bits and Atoms (CBA), az amerikai Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézet (NIST) és a Görög Nemzeti Tudományos Kutatóközpont (Demokritosz) közös csapata módosította az extruder, a 3D nyomtató „szívét", hogy az képes legyen mérni az anyag erőit és áramlását.

Ezeket a 20 perces teszt során összegyűjtött adatokat egy matematikai függvénybe táplálják be, amelyből automatikusan generálják a nyomtatási paramétereket. Ezeket a paramétereket be lehet írni a készen kapható 3D nyomtatási szoftverekbe, és egy eddig soha nem látott anyaggal nyomtatni.

Az automatikusan generált paraméterek a jellemzően kézzel beállítandó paraméterek mintegy felét helyettesíthetik. Egy sor egyedi anyagokkal – köztük több megújuló anyaggal – végzett tesztnyomtatás során a kutatók megmutatták, hogy módszerükkel következetesen életképes paramétereket tudnak előállítani. Ez a kutatás segíthet csökkenteni az additív gyártás környezeti hatását, amely jellemzően fosszilis tüzelőanyagokból származó, nem újrahasznosítható polimerekre és gyantákra támaszkodik.

Anyagi tulajdonságok változása

A gyors prototípusgyártásban gyakran alkalmazott olvasztott szálas gyártás (FFF) során az alkatrész felépítéséhez az olvadt polimereket rétegenként extrudálják egy fűtött fúvókán keresztül. A szeletelőnek nevezett szoftver adja az utasításokat a gépnek, de a szeletelőt úgy kell beállítani, hogy egy adott anyaggal dolgozzon.

A megújuló vagy újrahasznosított anyagok használata egy FFF 3D nyomtatóban különösen nagy kihívást jelent, mivel nagyon sok változó befolyásolja az anyag tulajdonságait. Például egy bioalapú polimer vagy gyanta az évszaktól függően különböző növényi keverékekből állhat össze. Az újrahasznosított anyagok tulajdonságai is nagymértékben eltérnek attól függően, hogy mi áll rendelkezésre újrahasznosításra.

E kihívások leküzdésére a kutatók kifejlesztettek egy 3D nyomtatót és egy munkafolyamatot, amely automatikusan azonosítja az életképes folyamatparamétereket bármely ismeretlen anyaghoz. Egy, a laboratóriumuk által korábban kifejlesztett 3D nyomtatóval kezdték, amely képes adatokat rögzíteni és működés közben visszajelzést adni.

A kutatók a gép extruderéhez három műszert illesztettek, amelyek méréseket végeznek, amelyekből kiszámítják a paramétereket. Egy terhelésmérő cella a nyomtatószálra gyakorolt nyomást méri, míg egy adagolási sebesség érzékelő a szál vastagságát és a tényleges sebességet méri, amellyel a szál a nyomtatón keresztül halad. Ezek a mérések felhasználhatók a két legfontosabb, de nehezen meghatározható nyomtatási paraméter: az áramlási sebesség és a hőmérséklet kiszámítására. A szabványos szoftverekben a nyomtatási beállítások közel fele ehhez a két paraméterhez kapcsolódik.

Adatkészlet származtatása

Miután az új műszerek a helyükre kerültek, a kutatók kidolgoztak egy 20 perces tesztet, amely különböző áramlási sebességek mellett hőmérséklet- és nyomásméréseket generál. A teszt lényege, hogy a nyomtatófúvókát a legmelegebb hőmérsékletre állítják, az anyagot meghatározott sebességgel átáramoltatják, majd kikapcsolják a fűtést.

Ezeket az adatokat egy olyan funkcióba kell beírni, amely a relatív hőmérséklet- és nyomásbevitel alapján automatikusan létrehozza az anyag és a gépkonfiguráció valós paramétereit. A felhasználó ezután ezeket a paramétereket beírhatja a 3D nyomtatási szoftverbe, és utasításokat generálhat a nyomtató számára. Hat különböző anyaggal – köztük több bioalapú anyaggal – végzett kísérletek során a módszer automatikusan életképes paramétereket generált, amelyek következetesen egy komplex tárgy sikeres nyomtatásához vezettek.

A jövőben a kutatók azt tervezik, hogy ezt az eljárást integrálják a 3D nyomtatási szoftverbe, hogy a paramétereket ne kelljen manuálisan megadni. Emellett a munkafolyamatot a forró vég, vagyis a nyomtató azon része termodinamikai modelljének beépítésével kívánják javítani, amely megolvasztja a szálakat – számol be a kutatás eredményéről az MIT.