Tehnologija 3D ispisa značajno je napredovala od svog izuma 1983. godine, kada je Chuck Hull predstavio stereolitografiju, metodu koja učvršćuje tekući resin u čvrste objekte pomoću ultraljubičastih lasera. Tijekom godina, 3D pisači su se razvili od eksperimentalnih naprava do alata koji mogu proizvoditi sve, od prilagođenih proteza do složenih dizajna hrane, arhitektonskih modela, pa čak i funkcionalnih ljudskih organa.
Međutim, kako tehnologija sazrijeva, njezin utjecaj na okoliš postaje sve teže zanemariti. Velika većina potrošačkog i industrijskog 3D ispisa još uvijek se oslanja na plastiku na bazi nafte. Iako postoje “zelenije” alternative napravljene od biorazgradivih ili recikliranih materijala, one često dolaze s ozbiljnim kompromisom: obično nisu toliko jake. Ovi ekološki prihvatljivi filamenti često postaju krhki pod stresom, što ih čini neprikladnima za strukturne primjene ili dijelove koji podnose opterećenja — upravo gdje je snaga najvažnija.
Ovaj kompromis između održivosti i mehaničke izvedbe potaknuo je istraživače iz MIT-ovog Laboratorija za računalne znanosti i umjetnu inteligenciju (CSAIL) i Hasso Plattner Instituta da postave pitanje: Je li moguće izraditi objekte koji su većinom ekološki prihvatljivi, ali i dalje jaki tamo gdje je to najvažnije?
Njihov odgovor je SustainaPrint, novi softverski i hardverski alat dizajniran da pomogne korisnicima strateški kombinirati jake i slabe filamente kako bi dobili najbolje od oba svijeta. Umjesto da se cijeli objekt ispisuje s visokoučinkovitom plastikom, sustav analizira model putem simulacija konačnih elemenata, predviđa gdje će objekt najvjerojatnije doživjeti stres i zatim ojačava samo te zone jačim materijalom. Ostatak dijela može se ispisati koristeći ekološki prihvatljiviji, slabiji filament, čime se smanjuje upotreba plastike uz očuvanje strukturne cjelovitosti.
„Naša nada je da će SustainaPrint jednog dana moći koristiti u industrijskim i distribuiranim proizvodnim okruženjima, gdje se lokalne zalihe materijala mogu razlikovati po kvaliteti i sastavu“, izjavila je Maxine Perroni-Scharf, doktorandica MIT-a i istraživačica iz CSAIL-a, koja je vodeća autorica na papiru koji predstavlja projekt. „U tim kontekstima, alat za testiranje mogao bi pomoći u osiguravanju pouzdanosti dostupnih filamenata, dok bi strategija ojačanja softvera mogla smanjiti ukupnu potrošnju materijala bez žrtvovanja funkcionalnosti.”
Za svoje eksperimente, tim je koristio Polymakerov PolyTerra PLA kao ekološki prihvatljiv filament, a standardni ili Tough PLA od Ultimakera za ojačanje. Koristili su prag ojačanja od 20 posto kako bi pokazali da čak i mala količina jakog plastike može značajno povećati čvrstoću. Koristeći ovaj omjer, SustainaPrint je mogao povratiti do 70 posto čvrstoće objekta ispisa s visokoučinkovitom plastikom.
Ispisali su desetke objekata, od jednostavnih mehaničkih oblika poput prstenova i greda do funkcionalnih kućanskih predmeta kao što su stalci za slušalice, kukice za zid i saksije za biljke. Svaki objekt je ispisan na tri načina: jednom koristeći samo ekološki prihvatljiv filament, jednom koristeći samo jak PLA, i jednom s hibridnom SustainaPrint konfiguracijom. Ispisani dijelovi su zatim mehanički testirani povlačenjem, savijanjem ili na druge načine kako bi se izmjerila količina sile koju svaka konfiguracija može izdržati.
U mnogim slučajevima, hibridni ispisi su se pokazali gotovo jednako izdržljivima kao i verzije s punom čvrstoćom. Na primjer, u jednom testu koji je uključivao oblik nalik kupoli, hibridna verzija nadmašila je verziju ispisanu isključivo u Tough PLA. Tim vjeruje da bi to moglo biti zbog sposobnosti ojačane verzije da ravnomjernije rasporedi stres, izbjegavajući krhki kvar koji ponekad uzrokuje prekomjerna krutost.
„To ukazuje na to da u određenim geometrijama i uvjetima opterećenja, strateško miješanje materijala može zapravo nadmašiti korištenje jednog homogenog materijala“, kaže Perroni-Scharf. „To je podsjetnik da je stvarno mehaničko ponašanje puno složenosti, posebno u 3D ispisu, gdje međuslojne adhezije i odluke o putu alata mogu utjecati na izvedbu na neočekivane načine.”
Ekološki prihvatljiv 3D ispis
SustainaPrint započinje tako da korisnik učita svoj 3D model u prilagođeni sučelje. Odabirom fiksnih regija i područja na koja će se primjenjivati sile, softver koristi pristup nazvan „analiza konačnih elemenata“ kako bi simulirao kako će se objekt deformirati pod stresom. Zatim stvara kartu koja prikazuje raspodjelu pritiska unutar strukture, ističući područja pod kompresijom ili napetostima, i primjenjuje heuristike za segmentaciju objekta u dvije kategorije: one koje trebaju ojačanje i one koje ne trebaju.
Prepoznajući potrebu za pristupačnim i jeftinim testiranjem, tim je također razvio DIY alat za testiranje kako bi pomogao korisnicima da procijene čvrstoću prije ispisa. Ovaj kit sadrži 3D-printabilni uređaj s modulima za mjerenje i tlačne i savijene čvrstoće. Korisnici mogu spojiti uređaj s uobičajenim predmetima poput šipki za povlačenje ili digitalnih vaga kako bi dobili grube, ali pouzdane metrike performansi. Tim je usporedio svoje rezultate s podacima proizvođača i otkrio da su njihova mjerenja dosljedno padala unutar jedne standardne devijacije, čak i za filamente koji su prošli kroz više ciklusa recikliranja.
Iako je trenutni sustav dizajniran za pisače s dvostrukim ekstruderima, istraživači vjeruju da bi se uz malo ručnog zamjenjivanja filamenata i kalibracije mogao prilagoditi i za postavke s jednim ekstruderom. U trenutnom obliku, sustav pojednostavljuje proces modeliranja dopuštajući samo jednu silu i jednu fiksnu granicu po simulaciji. Iako ovo pokriva širok raspon uobičajenih slučajeva korištenja, tim vidi budući rad na proširenju mogućnosti sustava.
Zaključak
Razvoj SustainaPrint predstavlja značajan korak prema održivijem 3D ispisu, omogućujući korisnicima da kombiniraju ekološki prihvatljive materijale s jakim filamentima. Ova inovacija ne samo da smanjuje potrošnju plastike, već i poboljšava mehaničke karakteristike ispisa. Kako se tehnologija nastavlja razvijati, možemo očekivati još više rješenja koja će spojiti održivost i funkcionalnost u svijetu 3D ispisa.
Česta pitanja (FAQ)
Što je SustainaPrint?
SustainaPrint je softverski i hardverski alat koji omogućuje korisnicima da kombiniraju jake i slabe filamente za 3D ispis, smanjujući potrošnju plastike dok održava strukturnu čvrstoću.
Kako SustainaPrint poboljšava čvrstoću 3D ispisa?
Koristeći analizu konačnih elemenata, SustainaPrint predviđa gdje će se objekt najvjerojatnije deformirati pod stresom i ojačava samo te dijelove s jačim materijalom.
Koje su prednosti korištenja ekološki prihvatljivih filamenata?
Ekološki prihvatljivi filamenti smanjuju utjecaj na okoliš, a SustainaPrint omogućuje njihovu upotrebu bez značajnog gubitka čvrstoće.
Može li SustainaPrint raditi s jednim ekstruderom?
Iako je trenutni sustav dizajniran za dvostruke ekstrudere, istraživači vjeruju da se može prilagoditi i za postavke s jednim ekstruderom uz određene modifikacije.
Kako se mjeri čvrstoća ispisa?
Čvrstoća ispisa može se mjeriti pomoću DIY alata koji koristi standardne predmete poput šipki za povlačenje ili digitalnih vaga za dobivanje pouzdanih metrika performansi.
