3D-печать прошла долгий путь с момента своего изобретения в 1983 году Чаком Халом, который впервые применил стереолитографию — метод, при котором с помощью ультрафиолетовых лазеров жидкий полимер затвердевает и превращается в твёрдые объекты. За десятилетия 3D-принтеры превратились из экспериментальных устройств в инструменты, способные производить всё: от индивидуальных протезов до сложных конструкций еды, архитектурных моделей и даже функционирующих человеческих органов.
Однако по мере развития технологии всё более актуальным становится вопрос её воздействия на окружающую среду. Подавляющее большинство потребительских и промышленных 3D-принтеров по-прежнему используют пластиковые нити на основе нефти. Хотя существуют «более экологичные» альтернативы из биоразлагаемых или переработанных материалов, они имеют существенный недостаток: они не так прочны. Эти экологичные нити склонны становиться хрупкими под нагрузкой, что делает их непригодными для конструкционных применений или изготовления нагруженных деталей — там, где прочность имеет решающее значение.
Исследователи из Лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта MIT (CSAIL) и Института Гаррисона Платтнера задались вопросом: можно ли создавать объекты, которые в основном экологичны, но при этом прочны там, где это необходимо?
Их ответом стал SustainaPrint — новый программно-аппаратный комплекс, разработанный, чтобы помочь пользователям стратегически сочетать прочные и слабые нити, получая лучшее из обоих миров. Вместо того чтобы печатать весь объект из высокопрочного пластика, система анализирует модель с помощью моделирования методом конечных элементов, предсказывает, где объект, скорее всего, испытает нагрузку, и затем усиливает только эти зоны более прочным материалом. Остальная часть детали может быть напечатана с использованием более экологичных, но менее прочных нитей, что позволяет сократить использование пластика при сохранении структурной целостности.
«Мы надеемся, что однажды SustainaPrint можно будет использовать в промышленных и распределённых условиях производства, где местные запасы материалов могут различаться по качеству и составу», — говорит аспирантка MIT и исследователь CSAIL Максин Перрони-Шарф, ведущий автор статьи, представляющей проект. «В этих условиях тестовый инструментарий может помочь обеспечить надёжность доступных нитей, а стратегия усиления программного обеспечения может снизить общее потребление материала без ущерба для функциональности».
Для своих экспериментов команда использовала Polymaker’s PolyTerra PLA в качестве экологичной нити и стандартный или Tough PLA от Ultimaker для усиления. Они использовали 20-процентный порог усиления, чтобы показать, что даже небольшое количество прочного пластика имеет большое значение. Используя это соотношение, SustainaPrint смог восстановить до 70 процентов прочности объекта, напечатанного полностью из высокопрочного пластика.
Экологичная 3D-печатная машина
SustainaPrint начинается с того, что пользователь загружает свою 3D-модель в специальный интерфейс. Выбрав фиксированные области и зоны, где будут приложены силы, программное обеспечение использует подход, называемый «анализом методом конечных элементов», чтобы смоделировать, как объект будет деформироваться под нагрузкой. Затем создаётся карта, показывающая распределение давления внутри конструкции, выделяются области под сжатием или растяжением, и применяются эвристические алгоритмы для сегментации объекта на две категории: те, которые нуждаются в усилении, и те, которые в нём не нуждаются.
Признавая необходимость в доступном и недорогом тестировании, команда также разработала набор для тестирования своими руками, чтобы помочь пользователям оценить прочность перед печатью. Устройство можно напечатать на 3D-принтере, оно имеет модули для измерения как прочности на растяжение, так и прочности на изгиб. Пользователи могут соединить устройство с обычными предметами, такими как турники или цифровые весы, чтобы получить приблизительные, но надёжные показатели производительности. Команда сравнила свои результаты с данными производителя и обнаружила, что их измерения постоянно укладывались в одно стандартное отклонение даже для нитей, которые прошли несколько циклов переработки.
Хотя текущая система предназначена для принтеров с двойной экструзией, исследователи считают, что с некоторой заменой нитей вручную и калибровкой её можно адаптировать и для установок с одним экструдером. В текущем виде система упрощает процесс моделирования, позволяя использовать только одну силу и одну фиксированную границу для каждой симуляции. Хотя это охватывает широкий спектр распространённых случаев использования, команда видит будущее развитие программного обеспечения, направленное на поддержку более сложных и динамических условий нагрузки.
Команда также видит потенциал в использовании искусственного интеллекта для определения предполагаемого использования объекта на основе его геометрии, что может позволить полностью автоматизировать моделирование напряжений без ручного ввода сил или границ.
Исследователи планируют выпустить SustainaPrint в открытый доступ, сделав как программное обеспечение, так и тестовый инструментарий доступными для общественного использования и модификации. Ещё одна инициатива, которую они надеются воплотить в жизнь в будущем: образование. «В классе SustainaPrint — это не просто инструмент, это способ научить студентов материаловедению, структурному проектированию и устойчивому дизайну — и всё это в одном проекте», — говорит Перрони-Шарф. «Это превращает абстрактные концепции в нечто осязаемое».
По мере того как 3D-печать всё больше внедряется в то, как мы производим и прототипируем всё: от потребительских товаров до оборудования для экстренных ситуаций, опасения по поводу устойчивости будут только расти. С помощью таких инструментов, как SustainaPrint, эти опасения больше не должны идти в ущерб производительности. Вместо этого они могут стать частью процесса проектирования: встроенным в саму геометрию вещей, которые мы создаём.
1. Какие проблемы решает SustainaPrint в контексте 3D-печати?
Ответ: SustainaPrint решает проблему создания экологичных, но прочных объектов. Система анализирует 3D-модель и усиливает только те зоны, где это необходимо, используя более прочный материал. Это позволяет сократить использование пластика при сохранении структурной целостности.
2. Какие материалы используются в SustainaPrint для печати объектов?
Ответ: В SustainaPrint используются экологичная нить Polymaker’s PolyTerra PLA и стандартный или Tough PLA от Ultimaker для усиления.
3. Как SustainaPrint определяет, какие зоны объекта нужно усилить?
Ответ: SustainaPrint использует анализ методом конечных элементов для моделирования деформации объекта под нагрузкой. Затем создаётся карта, показывающая распределение давления внутри конструкции, выделяются области под сжатием или растяжением, и применяются эвристические алгоритмы для сегментации объекта на две категории: те, которые нуждаются в усилении, и те, которые в нём не нуждаются.
4. Какие перспективы развития SustainaPrint видят исследователи?
Ответ: Исследователи видят будущее развитие программного обеспечения, направленное на поддержку более сложных и динамических условий нагрузки. Также рассматривается потенциал в использовании искусственного интеллекта для определения предполагаемого использования объекта на основе его геометрии, что может позволить полностью автоматизировать моделирование напряжений без ручного ввода сил или границ.
5. Какие цели ставят перед собой исследователи, разрабатывая SustainaPrint?
Ответ: Исследователи планируют выпустить SustainaPrint в открытый доступ, сделав как программное обеспечение, так и тестовый инструментарий доступными для общественного использования и модификации. Они также видят потенциал в использовании SustainaPrint в образовательных целях, чтобы научить студентов материаловедению, структурному проектированию и устойчивому дизайну.