چاپ سه بعدی از اختراع وی در سال 1983 توسط چاک هال ، که پیشگام استریولیتوگرافی است ، بسیار طولانی بوده است ، تکنیکی که با استفاده از لیزرهای ماوراء بنفش ، رزین مایع را در اشیاء جامد تقویت می کند. در طی چند دهه ، چاپگرهای سه بعدی از کنجکاوی های تجربی در ابزارهایی که قادر به تولید همه چیز از پروتزهای شخصی گرفته تا طرح های غذایی پیچیده ، مدل های معماری و حتی اندام های انسانی هستند ، تکامل یافته اند.
اما با بالغ شدن این فناوری ، ردپای محیط زیست آن سخت تر می شود. اکثر چاپ های سه بعدی مصرف کننده و صنعتی هنوز به نخ پلاستیکی مبتنی بر روغن متکی هستند. و در حالی که گزینه های “سبزتر” ساخته شده از مواد تخریب پذیر یا بازیافت شده وجود دارد ، آنها با یک سازش جدی همراه هستند: آنها اغلب چندان قوی نیستند. این موضوعات زیست محیطی تحت استرس شکننده می شوند ، که باعث می شود آنها برای کاربردهای ساختاری یا قطعاتی برای حمل بارهای به طور مناسب در جایی که نیرو از اهمیت بیشتری برخوردار است ، تعبیه شده باشد.
این سازش بین پایداری و نتایج مکانیکی ، محققان در آزمایشگاه علوم کامپیوتر و هوش مصنوعی MIT (CSAIL) و موسسه Hasso Plattner را تشویق می کند: آیا می توان اشیاء را ساخت که عمدتا سازگار با محیط زیست هستند اما هنوز هم در جایی که گزارش می شود؟
پاسخ آنها SustainAprint ، نرم افزار جدید و ابزارهای سخت افزاری است که برای کمک به کاربران در ترکیب استراتژیک موضوعات قوی و ضعیف برای به دست آوردن بهترین ها در هر دو جهان طراحی شده است. به جای چاپ یک شیء کامل با پلاستیک بسیار کارآمد ، سیستم با شبیه سازی یک تجزیه و تحلیل عنصر نهایی ، مدل را تجزیه و تحلیل می کند ، پیش بینی می کند که در آن شیء به احتمال زیاد استرس دارد و سپس فقط این مناطق را با مواد قوی تر تقویت می کند. بقیه قسمت را می توان با کمک یک نخ سبزتر و بیشتر چاپ کرد و ضمن حفظ یکپارچگی ساختاری ، استفاده از پلاستیک را کاهش داد.
ماکسین پروس-شرف ، که نویسنده اصلی این پروژه است که نماینده یک سند است ، می گوید: “امید ما این است که یک روز در تنظیمات تولید صنعتی و توزیع شده قابل استفاده باشد ، جایی که موجودی های محلی می توانند از نظر کیفیت و ترکیب متفاوت باشند.” “در این زمینه ها ، ابزار ابزار آزمایش می تواند به اطمینان از موضوعات موجود کمک کند ، در حالی که استراتژی تقویت نرم افزار می تواند مصرف کلی مواد را بدون قربانی کردن عملکرد کاهش دهد.”
برای آزمایش های خود ، این تیم از Polyterra PLA در Polymaker به عنوان یک موضوع محیطی و یک PLA استاندارد یا دشوار Ultimaker برای تقویت استفاده می کند. آنها از آستانه تقویت 20 درصدی استفاده کردند تا نشان دهند که حتی مقدار کمی از پلاستیک قوی نیز مسیری طولانی را طی می کند. با استفاده از این نسبت ، SustainAprint توانست 70 درصد از قدرت یک شی را بازیابی کند ، که کاملاً با پلاستیک بسیار کارآمد چاپ شده است.
آنها ده ها جسم را از اشکال مکانیکی ساده مانند حلقه ها و تیرها گرفته تا وسایل خانگی کاربردی مانند هدفون ، قلاب دیواری و گلدان های گیاهی چاپ کردند. هر شی به سه روش چاپ شد: یک بار از فقط موضوعات دوستانه محیط زیست ، یک بار فقط با استفاده از PLA قوی و یک بار با پیکربندی هیبریدی CastainAprint استفاده می شود. قطعات چاپ شده سپس با کشیدن ، خم شدن یا شکستن به روش دیگری برای اندازه گیری میزان کنترل هرگونه پیکربندی در برابر مکان به صورت مکانیکی مورد آزمایش قرار می گیرند.
در بسیاری از موارد ، چاپ های هیبریدی تقریباً و همچنین نسخه های قدرت کامل به طول انجامید. به عنوان مثال ، در آزمایشی که شامل یک شکل گنبد است ، نسخه ترکیبی نسبت به نسخه چاپ شده در PLA سخت برتر است. این تیم معتقد است که این ممکن است به دلیل توانایی نسخه تقویت شده در توزیع استرس به طور مساوی ، از جلوگیری از آسیب های شکننده ، که گاه به دلیل سفتی بیش از حد ایجاد می شود.
Perroni-Scharf می گوید: “این نشان می دهد که در هندسه های خاص و شرایط بار ، مخلوط کردن مواد از نظر استراتژیک می تواند از یک ماده همگن پیشی بگیرد.” “این یادآوری است که رفتار مکانیکی در دنیای واقعی پر از پیچیدگی است ، به خصوص در چاپ سه بعدی ، جایی که اتصالات متوسط و مسیرهای ابزار می توانند به روش های غیر منتظره بر بهره وری تأثیر بگذارند.”
خانه چاپی لاغر ، سبز ، زیست محیطی
SustainAprint با اجازه دادن کاربر به بارگذاری مدل سه بعدی خود در یک رابط شخصی آغاز می شود. این نرم افزار با انتخاب مناطق ثابت و مناطقی که نیروها در آن اعمال می شوند ، از رویکردی به نام “تجزیه و تحلیل عناصر نهایی” استفاده می کند تا بتواند نحوه تغییر شکل شی را تحت استرس انجام دهد. وی سپس کارتی را ایجاد می کند که توزیع فشار را در داخل ساختار نشان می دهد و بر مناطقی تحت فشرده سازی یا تنش تأکید می کند و اکتشافی را برای تقسیم شیء در دو دسته اعمال می کند: کسانی که نیاز به تقویت و کسانی دارند که این کار را نمی کنند.
این تیم با شناخت نیاز به تست های مقرون به صرفه و ارزان ، یک ابزار تست DIY را برای کمک به کاربران در ارزیابی قدرت قبل از چاپ تهیه کرد. این کیت دارای یک دستگاه چاپ سه بعدی با ماژول ها برای اندازه گیری استحکام کششی و انعطاف پذیری است. کاربران می توانند دستگاه را با عناصر مشترک مانند نوارهای بکسل یا مقیاس دیجیتال برای به دست آوردن شاخص های عملکرد خشن اما قابل اعتماد جفت کنند. این تیم نتایج خود را در برابر داده های سازنده مقایسه کرد و دریافت که اندازه گیری های آنها به طور مداوم در یک انحراف استاندارد قرار می گیرد ، حتی برای موضوعاتی که دارای چندین چرخه بازیافت هستند.
اگرچه سیستم فعلی برای چاپگرهای دوتایی طراحی شده است ، محققان معتقدند که با برخی از جزئیات دست ساز و کالیبراسیون نخ ، می توان آن را برای تنظیمات تک صفحه ای سازگار کرد. در شکل فعلی ، سیستم فرآیند مدل سازی را ساده می کند و فقط یک نیروی و یک حد ثابت شبیه سازی را فراهم می کند. اگرچه این طیف گسترده ای از موارد استفاده عمومی را در بر می گیرد ، تیم می بیند که نرم افزار آینده برای حفظ شرایط بار پیچیده تر و پویا تر کار می کند. این تیم همچنین پتانسیل استفاده از هوش مصنوعی را برای ارائه استفاده از سایت بر اساس هندسه خود می بیند ، که می تواند مدل سازی کاملاً خودکار استرس را بدون سهم دستی نیروها یا مرزها فراهم کند.
سه بعدی رایگان
محققان قصد دارند یک منبع باز SustainAprint را منتشر کنند و هم نرم افزار و هم ابزارهای آزمایش را برای استفاده عمومی و اصلاح در دسترس قرار دهند. ابتکار دیگری که آنها در آینده تلاش می کنند زندگی کنند: آموزش. Peroni-Shacher می گوید: “در کلاس ، SustainAprint فقط ابزاری نیست ، بلکه راهی برای یادگیری دانش آموزان در مورد علوم مواد ، مهندسی سازه و طراحی پایدار است ، همه در یک پروژه.” “این این مفاهیم انتزاعی را به چیزی ملموس تبدیل می کند.”
هرچه چاپ سه بعدی در شیوه تولید و نمونه سازی همه چیز از کالاهای مصرفی تا تجهیزات اضطراری ساخته شود ، مشکلات مقاومت فقط افزایش می یابد. این نگرانی ها با ابزارهایی مانند SustainAprint دیگر نیازی به هزینه نتایج ندارند. در عوض ، آنها می توانند بخشی از فرآیند طراحی شوند: در هندسه بسیار کارهایی که انجام می دهیم ساخته شده است.
همکار پاتریک بودیش ، که استاد مؤسسه Haso Planer است ، می افزاید: “این پروژه به یک سؤال اساسی می پردازد: در صورت عدم وجود برنامه ای برای استفاده از این مطالب ، چه چیزی برای جمع آوری مواد برای اهداف بازیافت وجود ندارد؟
Perroni-Scharf و Baudisch این روزنامه را با دستیار تحقیقات CSAIL جنیفر شیائو نوشتند. بخش مهندسی برق و دانشجوی علوم کامپیوتر Cole Paulin ’24 ؛ دانشجوی کارشناسی ارشد ری وانگ SM ’25 و دانشجوی دکترا Ticha Seethapakdi SM ’19 (هر دو عضو CSAIL) ؛ دکتر موسسه Hasso Plattner دکتر محمد عبدالله ؛ و استادیار استفانی مولر ، رهبری گروه مهندسی برای تعامل انسانی و رایانه در CSAIL.
کار محققان با استفاده از طراحی برای مقاومت در برابر طراحی برنامه پایداری MIT-HPI پشتیبانی شد. کار آنها در سمپوزیوم ACM نرم افزار و فناوری رابط کاربری در ماه سپتامبر ارائه می شود.
