盡管3D打印技術(shù)已廣受歡迎，但這些打印機(jī)使用的許多塑料材料并不易于回收。雖然新的可持續(xù)材料正在被引入3D打印領(lǐng)域，但它們的采用仍然困難重重，因?yàn)樾枰獮槊糠N材料調(diào)整3D打印機(jī)設(shè)置，這一過(guò)程通常是手動(dòng)完成的。

從零開(kāi)始打印新材料通常需要在控制打印機(jī)擠出材料的軟件中設(shè)置多達(dá)100個(gè)參數(shù)。像大規(guī)模生產(chǎn)的聚合物這類常用材料已經(jīng)有了經(jīng)過(guò)繁瑣試錯(cuò)過(guò)程完善的參數(shù)集。但可再生和可回收材料的性質(zhì)因其組成而大幅波動(dòng)，幾乎不可能創(chuàng)建固定的參數(shù)集。在這種情況下，用戶必須手動(dòng)完成所有這些參數(shù)的設(shè)置。

研究人員通過(guò)開(kāi)發(fā)一種能夠自動(dòng)識(shí)別未知材料參數(shù)的3D打印機(jī)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

MIT的比特與原子中心（CBA）、美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）和希臘國(guó)家科學(xué)研究中心（Demokritos）的合作團(tuán)隊(duì)對(duì)3D打印機(jī)的“心臟”——擠出機(jī)進(jìn)行了修改，使其能夠測(cè)量材料的力量和流動(dòng)。

這些數(shù)據(jù)通過(guò)一項(xiàng)20分鐘的測(cè)試收集，并被輸入到一個(gè)數(shù)學(xué)函數(shù)中，該函數(shù)用來(lái)自動(dòng)生成打印參數(shù)。這些參數(shù)可以輸入到現(xiàn)成的3D打印軟件中，用于打印前所未見(jiàn)的材料。

自動(dòng)生成的參數(shù)可以替代約一半通常需要手動(dòng)調(diào)整的參數(shù)。在一系列使用獨(dú)特材料（包括幾種可再生材料）的測(cè)試打印中，研究人員展示了他們的方法可以一致地產(chǎn)生可行的參數(shù)。

這項(xiàng)研究有助于減少增材制造的環(huán)境影響，這種制造通常依賴于不可回收的聚合物和源自化石燃料的樹(shù)脂。

CBA的負(fù)責(zé)人尼爾·格申菲爾德教授說(shuō)：“在這篇論文中，我們展示了一種方法，可以將所有這些來(lái)源于各種可持續(xù)資源的生物基材料納入其中，并展示出打印機(jī)如何自己打印這些材料，目標(biāo)是使3D打印更加可持續(xù)。”

他的合著者包括首席作者、CBA的研究生杰克·里德，他領(lǐng)導(dǎo)了打印機(jī)的開(kāi)發(fā)；NIST材料科學(xué)與工程部門(mén)的化學(xué)工程師喬納森·塞帕拉；前CBA博士后、現(xiàn)在領(lǐng)導(dǎo)Demokritos自主科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的菲利波斯·圖洛穆西斯；NIST材料基因組計(jì)劃的領(lǐng)導(dǎo)詹姆斯·沃倫；以及CBA的研究助理妮可·巴克爾。這項(xiàng)研究發(fā)表在《整合材料與制造創(chuàng)新》期刊上。

材料屬性的變化

在熔融絲材制造（FFF）中，常用于快速原型制作，熔融聚合物通過(guò)加熱噴嘴逐層擠出以構(gòu)建部件。軟件，稱為切片器，向機(jī)器提供指令，但切片器必須配置為與特定材料一起工作。

在FFF 3D打印機(jī)中使用可再生或回收材料尤其具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)橛绊懖牧蠈傩缘淖兞亢芏唷＠?，基于生物的聚合物或?shù)脂可能由于季節(jié)的不同而由不同植物混合組成?；厥詹牧系膶傩砸不诳苫厥绽玫牟牧隙鴱V泛變化。

“在《回到未來(lái)》中，有一個(gè)‘融合先生’攪拌機(jī)，道克將他擁有的任何東西都扔進(jìn)攪拌機(jī)中，它就會(huì)工作。這里的理念是相同的。理想情況下，與塑料回收一樣，你可以簡(jiǎn)單地將你擁有的東西粉碎并用其打印。但是，當(dāng)前的前饋系統(tǒng)不會(huì)起作用，因?yàn)槿绻愕慕z材在打印過(guò)程中發(fā)生顯著變化，一切都會(huì)崩潰，”里德說(shuō)。

為了克服這些挑戰(zhàn)，研究人員開(kāi)發(fā)了一種3D打印機(jī)和工作流程，以自動(dòng)識(shí)別任何未知材料的可行過(guò)程參數(shù)。他們從實(shí)驗(yàn)室之前開(kāi)發(fā)的可以捕獲數(shù)據(jù)并提供反饋的3D打印機(jī)開(kāi)始。研究人員為機(jī)器的擠出機(jī)添加了三種儀器，這些儀器的測(cè)量用于計(jì)算參數(shù)。

一個(gè)載荷傳感器測(cè)量對(duì)打印絲的壓力，而進(jìn)料速率傳感器測(cè)量絲的直徑和實(shí)際通過(guò)打印機(jī)的速率。“這種測(cè)量、建模和制造的融合是NIST與CBA合作的核心，我們正在開(kāi)發(fā)我們所稱的‘計(jì)算計(jì)量學(xué)’，”沃倫說(shuō)。

這些測(cè)量可以用來(lái)計(jì)算兩個(gè)最重要但最難確定的打印參數(shù)：流速和溫度。標(biāo)準(zhǔn)軟件中幾乎一半的打印設(shè)置都與這兩個(gè)參數(shù)有關(guān)。

生成數(shù)據(jù)集

一旦他們安裝了新的儀器，研究人員開(kāi)發(fā)了一項(xiàng)20分鐘的測(cè)試，該測(cè)試在不同流速下生成一系列溫度和壓力讀數(shù)。基本上，測(cè)試涉及將打印噴嘴設(shè)定在最高溫度，以固定速率流動(dòng)材料，然后關(guān)閉加熱器。

“弄清楚如何讓那個(gè)測(cè)試工作真的很難。試圖找到擠出機(jī)的極限意味著在你測(cè)試時(shí)，你會(huì)頻繁地破壞擠出機(jī)。關(guān)閉加熱器并只是被動(dòng)地進(jìn)行測(cè)量是‘啊哈’時(shí)刻，”里德說(shuō)。

這些數(shù)據(jù)被輸入到一個(gè)函數(shù)中，該函數(shù)自動(dòng)生成材料和機(jī)器配置的真實(shí)參數(shù)，基于相對(duì)溫度和壓力輸入。用戶然后可以將這些參數(shù)輸入3D打印軟件并生成打印機(jī)的指令。

在與六種不同材料的實(shí)驗(yàn)中，其中幾種是基于生物的，該方法自動(dòng)生成的可行參數(shù)一致地導(dǎo)致了復(fù)雜對(duì)象的成功打印。展望未來(lái)，研究人員計(jì)劃將這一過(guò)程與3D打印軟件集成，因此不需要手動(dòng)輸入?yún)?shù)。

此外，他們希望通過(guò)整合熱端的熱動(dòng)力學(xué)模型來(lái)增強(qiáng)他們的工作流程，熱端是打印機(jī)熔化絲材的部分。

這項(xiàng)合作現(xiàn)在更廣泛地開(kāi)發(fā)計(jì)算計(jì)量學(xué)，其中測(cè)量的輸出是一個(gè)預(yù)測(cè)模型，而不僅僅是一個(gè)參數(shù)。研究人員將在其他高級(jí)制造領(lǐng)域以及擴(kuò)大計(jì)量學(xué)訪問(wèn)中應(yīng)用這一點(diǎn)。

“通過(guò)開(kāi)發(fā)一種自動(dòng)生成熔融絲材制造過(guò)程參數(shù)的新方法，這項(xiàng)研究為使用具有變化和未知行為的回收和基于生物的絲材開(kāi)啟了大門(mén)。重要的是，這增強(qiáng)了數(shù)字制造技術(shù)使用本地來(lái)源的可持續(xù)材料的潛力，”圣地亞哥大學(xué)管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)院副教授艾莉西亞·加穆萊維奇說(shuō)，他沒(méi)有參與這項(xiàng)工作。

這項(xiàng)研究部分得到了美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院和比特與原子中心聯(lián)盟的支持。

文章來(lái)自：麻省理工學(xué)院，由資源庫(kù)編譯，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

盡管3D打印技術(shù)已廣受歡迎，但這些打印機(jī)使用的許多塑料材料并不易于回收。雖然新的可持續(xù)材料正在被引入3D打印領(lǐng)域，但它們的采用仍然困難重重，因?yàn)樾枰獮槊糠N材料調(diào)整3D打印機(jī)設(shè)置，這一過(guò)程通常是手動(dòng)完成的。

從零開(kāi)始打印新材料通常需要在控制打印機(jī)擠出材料的軟件中設(shè)置多達(dá)100個(gè)參數(shù)。像大規(guī)模生產(chǎn)的聚合物這類常用材料已經(jīng)有了經(jīng)過(guò)繁瑣試錯(cuò)過(guò)程完善的參數(shù)集。但可再生和可回收材料的性質(zhì)因其組成而大幅波動(dòng)，幾乎不可能創(chuàng)建固定的參數(shù)集。在這種情況下，用戶必須手動(dòng)完成所有這些參數(shù)的設(shè)置。

研究人員通過(guò)開(kāi)發(fā)一種能夠自動(dòng)識(shí)別未知材料參數(shù)的3D打印機(jī)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

MIT的比特與原子中心（CBA）、美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）和希臘國(guó)家科學(xué)研究中心（Demokritos）的合作團(tuán)隊(duì)對(duì)3D打印機(jī)的“心臟”——擠出機(jī)進(jìn)行了修改，使其能夠測(cè)量材料的力量和流動(dòng)。

這些數(shù)據(jù)通過(guò)一項(xiàng)20分鐘的測(cè)試收集，并被輸入到一個(gè)數(shù)學(xué)函數(shù)中，該函數(shù)用來(lái)自動(dòng)生成打印參數(shù)。這些參數(shù)可以輸入到現(xiàn)成的3D打印軟件中，用于打印前所未見(jiàn)的材料。

自動(dòng)生成的參數(shù)可以替代約一半通常需要手動(dòng)調(diào)整的參數(shù)。在一系列使用獨(dú)特材料（包括幾種可再生材料）的測(cè)試打印中，研究人員展示了他們的方法可以一致地產(chǎn)生可行的參數(shù)。

這項(xiàng)研究有助于減少增材制造的環(huán)境影響，這種制造通常依賴于不可回收的聚合物和源自化石燃料的樹(shù)脂。

CBA的負(fù)責(zé)人尼爾·格申菲爾德教授說(shuō)：“在這篇論文中，我們展示了一種方法，可以將所有這些來(lái)源于各種可持續(xù)資源的生物基材料納入其中，并展示出打印機(jī)如何自己打印這些材料，目標(biāo)是使3D打印更加可持續(xù)。”

他的合著者包括首席作者、CBA的研究生杰克·里德，他領(lǐng)導(dǎo)了打印機(jī)的開(kāi)發(fā)；NIST材料科學(xué)與工程部門(mén)的化學(xué)工程師喬納森·塞帕拉；前CBA博士后、現(xiàn)在領(lǐng)導(dǎo)Demokritos自主科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的菲利波斯·圖洛穆西斯；NIST材料基因組計(jì)劃的領(lǐng)導(dǎo)詹姆斯·沃倫；以及CBA的研究助理妮可·巴克爾。這項(xiàng)研究發(fā)表在《整合材料與制造創(chuàng)新》期刊上。

材料屬性的變化

在熔融絲材制造（FFF）中，常用于快速原型制作，熔融聚合物通過(guò)加熱噴嘴逐層擠出以構(gòu)建部件。軟件，稱為切片器，向機(jī)器提供指令，但切片器必須配置為與特定材料一起工作。

在FFF 3D打印機(jī)中使用可再生或回收材料尤其具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)橛绊懖牧蠈傩缘淖兞亢芏唷＠?，基于生物的聚合物或?shù)脂可能由于季節(jié)的不同而由不同植物混合組成?；厥詹牧系膶傩砸不诳苫厥绽玫牟牧隙鴱V泛變化。

“在《回到未來(lái)》中，有一個(gè)‘融合先生’攪拌機(jī)，道克將他擁有的任何東西都扔進(jìn)攪拌機(jī)中，它就會(huì)工作。這里的理念是相同的。理想情況下，與塑料回收一樣，你可以簡(jiǎn)單地將你擁有的東西粉碎并用其打印。但是，當(dāng)前的前饋系統(tǒng)不會(huì)起作用，因?yàn)槿绻愕慕z材在打印過(guò)程中發(fā)生顯著變化，一切都會(huì)崩潰，”里德說(shuō)。

為了克服這些挑戰(zhàn)，研究人員開(kāi)發(fā)了一種3D打印機(jī)和工作流程，以自動(dòng)識(shí)別任何未知材料的可行過(guò)程參數(shù)。他們從實(shí)驗(yàn)室之前開(kāi)發(fā)的可以捕獲數(shù)據(jù)并提供反饋的3D打印機(jī)開(kāi)始。研究人員為機(jī)器的擠出機(jī)添加了三種儀器，這些儀器的測(cè)量用于計(jì)算參數(shù)。

一個(gè)載荷傳感器測(cè)量對(duì)打印絲的壓力，而進(jìn)料速率傳感器測(cè)量絲的直徑和實(shí)際通過(guò)打印機(jī)的速率。“這種測(cè)量、建模和制造的融合是NIST與CBA合作的核心，我們正在開(kāi)發(fā)我們所稱的‘計(jì)算計(jì)量學(xué)’，”沃倫說(shuō)。

這些測(cè)量可以用來(lái)計(jì)算兩個(gè)最重要但最難確定的打印參數(shù)：流速和溫度。標(biāo)準(zhǔn)軟件中幾乎一半的打印設(shè)置都與這兩個(gè)參數(shù)有關(guān)。

生成數(shù)據(jù)集

一旦他們安裝了新的儀器，研究人員開(kāi)發(fā)了一項(xiàng)20分鐘的測(cè)試，該測(cè)試在不同流速下生成一系列溫度和壓力讀數(shù)。基本上，測(cè)試涉及將打印噴嘴設(shè)定在最高溫度，以固定速率流動(dòng)材料，然后關(guān)閉加熱器。

“弄清楚如何讓那個(gè)測(cè)試工作真的很難。試圖找到擠出機(jī)的極限意味著在你測(cè)試時(shí)，你會(huì)頻繁地破壞擠出機(jī)。關(guān)閉加熱器并只是被動(dòng)地進(jìn)行測(cè)量是‘啊哈’時(shí)刻，”里德說(shuō)。

這些數(shù)據(jù)被輸入到一個(gè)函數(shù)中，該函數(shù)自動(dòng)生成材料和機(jī)器配置的真實(shí)參數(shù)，基于相對(duì)溫度和壓力輸入。用戶然后可以將這些參數(shù)輸入3D打印軟件并生成打印機(jī)的指令。

在與六種不同材料的實(shí)驗(yàn)中，其中幾種是基于生物的，該方法自動(dòng)生成的可行參數(shù)一致地導(dǎo)致了復(fù)雜對(duì)象的成功打印。展望未來(lái)，研究人員計(jì)劃將這一過(guò)程與3D打印軟件集成，因此不需要手動(dòng)輸入?yún)?shù)。

此外，他們希望通過(guò)整合熱端的熱動(dòng)力學(xué)模型來(lái)增強(qiáng)他們的工作流程，熱端是打印機(jī)熔化絲材的部分。

這項(xiàng)合作現(xiàn)在更廣泛地開(kāi)發(fā)計(jì)算計(jì)量學(xué)，其中測(cè)量的輸出是一個(gè)預(yù)測(cè)模型，而不僅僅是一個(gè)參數(shù)。研究人員將在其他高級(jí)制造領(lǐng)域以及擴(kuò)大計(jì)量學(xué)訪問(wèn)中應(yīng)用這一點(diǎn)。

“通過(guò)開(kāi)發(fā)一種自動(dòng)生成熔融絲材制造過(guò)程參數(shù)的新方法，這項(xiàng)研究為使用具有變化和未知行為的回收和基于生物的絲材開(kāi)啟了大門(mén)。重要的是，這增強(qiáng)了數(shù)字制造技術(shù)使用本地來(lái)源的可持續(xù)材料的潛力，”圣地亞哥大學(xué)管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)院副教授艾莉西亞·加穆萊維奇說(shuō)，他沒(méi)有參與這項(xiàng)工作。

這項(xiàng)研究部分得到了美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院和比特與原子中心聯(lián)盟的支持。

文章來(lái)自：麻省理工學(xué)院，由資源庫(kù)編譯，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。