Si bien la impresión 3D ha ganado popularidad, muchos de los materiales plásticos que estas impresoras utilizan para crear objetos no se pueden reciclar fácilmente.Si bien están surgiendo nuevos materiales sostenibles para su uso en la impresión 3D, siguen siendo difíciles de adoptar porque la configuración de la impresora 3D debe ajustarse para cada material, un proceso que generalmente se realiza a mano.

Para imprimir un nuevo material desde cero, normalmente se deben configurar hasta 100 parámetros en el software que controla cómo la impresora extruirá el material a medida que fabrica un objeto.Los materiales de uso común, como los polímeros fabricados en masa, han establecido conjuntos de parámetros que se perfeccionaron mediante tediosos procesos de prueba y error.

Pero las propiedades de las energías renovables ymateriales reciclablespueden fluctuar ampliamente según su composición, por lo que es casi imposible crear conjuntos de parámetros fijos.En este caso, los usuarios deben crear todos estos parámetros manualmente.

Los investigadores abordaron este problema desarrollando una impresora 3D que puede identificar automáticamente los parámetros de un material desconocido por sí sola.Su papel espublicadoen el diarioIntegración de materiales e innovación en fabricación.

Un equipo colaborativo del Centro de Bits y Átomos (CBA) del MIT, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) de EE. UU. y el Centro Nacional de Investigación Científica de Grecia (Demokritos) modificó la extrusora, el "corazón" de una impresora 3D., por lo que puede medir las fuerzas y el flujo de un material.

Estos datos, recopilados a través de una prueba de 20 minutos, se introducen en una función matemática que se utiliza para generar automáticamente parámetros de impresión.Estos parámetros se pueden ingresar en un software de impresión 3D disponible en el mercado y usarse para imprimir con un material nunca antes visto.

Los parámetros generados automáticamente pueden reemplazar aproximadamente la mitad de los parámetros que normalmente deben ajustarse a mano.En una serie de impresiones de prueba con materiales únicos, incluidos variosmateriales renovables, los investigadores demostraron que su método puede producir constantemente parámetros viables.

Esta investigación podría ayudar a reducir el impacto ambiental de la fabricación aditiva, que normalmente se basa en polímeros y resinas no reciclables derivadas de combustibles fósiles.

"En este artículo, demostramos un método que puede tomar todos estos materiales interesantes de base biológica y fabricados a partir de diversas fuentes sostenibles y mostrar que la impresora puede descubrir por sí misma cómo imprimir esos materiales. El objetivo es hacer impresión 3D.más sostenible", afirma el autor principal Neil Gershenfeld, director del CBA.

Sus coautores incluyen al primer autor, Jake Read, un estudiante de posgrado de la CBA que dirigió el desarrollo de la impresora;Jonathan Seppala, uningeniero químicoen la División de Ingeniería y Ciencia de Materiales del NIST;Filippos Tourlomousis, ex postdoctorado de la CBA que ahora dirige el Laboratorio Científico Autónomo en Demokritos;James Warren, que dirige el Programa del Genoma de Materiales del NIST;y Nicole Bakker, asistente de investigación de CBA.

Cambiando las propiedades de los materiales

En la fabricación de filamentos fundidos (FFF), que se utiliza a menudo en la creación rápida de prototipos, los polímeros fundidos se extruyen a través de una boquilla calentada capa por capa para construir una pieza.El software, llamado cortadora, proporciona instrucciones a la máquina, pero la cortadora debe configurarse para trabajar con un material en particular.

Usar materiales renovables o reciclados en una impresora 3D FFF es especialmente desafiante porque hay muchas variables que afectan las propiedades del material.

Por ejemplo, un polímero o resina de origen biológico podría estar compuesto de diferentes mezclas de plantas según la estación.Las propiedades de los materiales reciclados también varían ampliamente según lo que esté disponible para reciclar.

"En 'Regreso al futuro', hay una licuadora 'Mr. Fusion' donde Doc simplemente arroja todo lo que tiene en la licuadora y funciona [como fuente de energía para la máquina del tiempo DeLorean]. Esa es la misma idea aquí.Idealmente, con el reciclaje de plásticos, podrías simplemente triturar lo que tienes e imprimir con él, pero, con los sistemas actuales de alimentación directa, eso no funcionará porque si el filamento cambia significativamente durante la impresión, todo se rompería", dice Read.

Para superar estos desafíos, los investigadores desarrollaron una impresora 3D y un flujo de trabajo para identificar automáticamente parámetros de proceso viables para cualquier material desconocido.

Comenzaron con una impresora 3D que su laboratorio había desarrollado previamente y que puede capturar datos y proporcionar retroalimentación mientras funciona.Los investigadores agregaron tres instrumentos a la extrusora de la máquina que toman medidas que se utilizan para calcular los parámetros.

Una celda de carga mide la presión que se ejerce sobre el filamento de impresión, mientras que un sensor de velocidad de alimentación mide el grosor del filamento y la velocidad real a la que se alimenta a través de la impresora.

"Esta fusión de medición, modelado y fabricación está en el centro de la colaboración entre NIST y CBA, mientras trabajamos para desarrollar lo que hemos denominado 'metrología computacional'", dice Warren.

Estas mediciones se pueden utilizar para calcular los dos parámetros de impresión más importantes, aunque difíciles de determinar: caudal y temperatura.Casi la mitad de todas las configuraciones de impresión en el software estándar están relacionadas con estos dos parámetros.

Derivando un conjunto de datos

Una vez que tuvieron los nuevos instrumentos en su lugar, los investigadores desarrollaron una prueba de 20 minutos que genera una serie de lecturas de temperatura y presión a diferentes caudales.Básicamente, la prueba implica configurar la boquilla de impresión a su temperatura más alta, hacer fluir el material a una velocidad fija y luego apagar el calentador.

"Fue realmente difícil descubrir cómo hacer que esa prueba funcionara. Tratar de encontrar los límites del extrusor significa que vas a romper el extrusor con bastante frecuencia mientras lo pruebas. La noción de apagar el calentador y simplemente pasivamentetomar medidas fue el momento 'ajá'", dice Read.

Estos datos se ingresan en una función que genera automáticamente parámetros reales para el material y la configuración de la máquina, basándose en entradas relativas de temperatura y presión.Luego, el usuario puede ingresar esos parámetros en el software de impresión 3D y generar instrucciones para la impresora.

En experimentos con seis materiales diferentes, varios de los cuales eran de base biológica, el método generó automáticamente parámetros viables que condujeron consistentemente a impresiones exitosas de un objeto complejo.

En el futuro, los investigadores planean integrar este proceso con el software de impresión 3D para que no sea necesario ingresar los parámetros manualmente.Además, quieren mejorar su flujo de trabajo incorporando un modelo termodinámico del hot end, que es parte delimpresoraque derrite el filamento.

Esta colaboración ahora está desarrollando de manera más amplia la metrología computacional, en la que el resultado de una medición es un modelo predictivo en lugar de solo un parámetro.Los investigadores aplicarán esto en otras áreas de la fabricación avanzada, así como en la ampliación del acceso a la metrología.

"Al desarrollar un nuevo método para la generación automática de parámetros de proceso para la fabricación de filamentos fundidos, este estudio abre la puerta al uso de filamentos reciclados y de origen biológico que tienen comportamientos variables y desconocidos. Es importante destacar que esto mejora el potencial de la tecnología de fabricación digital.utilizar materiales sostenibles de origen local", dice Alysia Garmulewicz, profesora asociada de la Facultad de Administración y Economía de la Universidad de Santiago en Chile, que no participó en este trabajo.

Más información:Jake Robert Read et al, Medición en línea para el descubrimiento de parámetros en la fabricación de filamentos fundidos,Integración de materiales e innovación en fabricación(2024).DOI: 10.1007/s40192-024-00350-w

Esta historia se republica por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre investigación, innovación y enseñanza del MIT.