雖然 3D 列印已迅速普及，但這些印表機用來製造物體的許多塑膠材料無法輕易回收。雖然用於 3D 列印的新型可持續材料不斷湧現，但它們仍然難以採用，因為需要針對每種材料調整 3D 列印機設置，而這一過程通常由手工完成。

要從頭開始列印新材料，通常必須在軟體中設定多達 100 個參數，以控製印表機在製造物件時如何擠出材料。常用的材料，如大規模生產的聚合物，已經建立了一組參數，並透過繁瑣的試誤過程來完善。

但再生能源和可回收材料可能會根據其組成而大幅波動，因此幾乎不可能建立固定的參數集。在這種情況下，使用者必須手動提出所有這些參數。

研究人員透過開發 3D 列印機解決了這個問題，該列印機可以自動識別未知材料的參數。他們的論文是發表在日記中整合材料與製造創新。

來自麻省理工學院比特與原子中心 (CBA)、美國國家標準與技術研究所 (NIST) 和希臘國家科學研究中心 (Demokritos) 的合作團隊改進了 3D 列印機的「心臟」擠出機，因此它可以測量材料的力和流動。

這些數據是透過 20 分鐘的測試收集的，並輸入到一個數學函數中，用於自動產生列印參數。這些參數可以輸入現成的 3D 列印軟體，並用於列印前所未見的材料。

自動產生的參數可以取代通常必須手動調整的大約一半參數。在一系列使用獨特材料的測試列印中，包括幾種可再生材料，研究人員表明他們的方法可以一致地產生可行的參數。

這項研究有助於減少積層製造對環境的影響，而增材製造通常依賴來自化石燃料的不可回收聚合物和樹脂。

「在本文中，我們演示了一種方法，可以採用所有這些有趣的生物基材料並由各種可持續來源製成，並表明印表機可以自行弄清楚如何列印這些材料。目標是使 3D 列印更可持續”，CBA 負責人尼爾·格申菲爾德(Neil Gershenfeld) 說道。

他的合著者包括第一作者 Jake Read，他是 CBA 研究生，領導了印表機的開發；喬納森·塞帕拉化學工程師NIST 材料科學與工程部；Filippos Tourlomousis，前 CBA 博士後，現任 Demokritos 自主科學實驗室負責人；James Warren，NIST 材料基因組計畫的負責人；以及 CBA 研究助理 Nicole Bakker。

改變材料特性

在快速原型製作中經常使用的熔絲製造 (FFF) 中，熔融聚合物會透過加熱的噴嘴逐層擠出以建造零件。稱為切片機的軟體向機器提供指令，但切片機必須配置為處理特定材料。

在 FFF 3D 列印機中使用再生或回收材料尤其具有挑戰性，因為影響材料特性的變數太多。

例如，生物基聚合物或樹脂可能根據季節由不同的植物混合物組成。根據可回收材料的不同，回收材料的特性也有很大差異。

「在《回到未來》中，有一個『融合先生』攪拌機，博士只需將他擁有的任何東西扔進攪拌機，它就會工作（作為德羅寧時間機器的電源）。這裡也是同樣的想法。那麼一切都會破裂，」里德說。

為了克服這些挑戰，研究人員開發了一種 3D 列印機和工作流程，可以自動識別任何未知材料的可行製程參數。

他們首先使用實驗室之前開發的 3D 列印機，該列印機可以捕獲數據並在運行時提供回饋。研究人員在機器的擠出機上添加了三台儀器，用於進行測量併計算參數。

稱重感測器測量施加在列印耗材上的壓力，而進給速率感測器測量耗材的厚度以及耗材通過印表機的實際進給速率。

Warren 表示：“測量、建模和製造的整合是 NIST 和 CBA 合作的核心，我們致力於開發所謂的‘計算計量學’。”

這些測量結果可用於計算兩個最重要但難以確定的列印參數：流量和溫度。標準軟體中近一半的列印設定都與這兩個參數相關。

派生資料集

新儀器安裝到位後，研究人員開發了 20 分鐘的測試，可在不同流速下產生一系列溫度和壓力讀數。本質上，測試包括將列印噴嘴設定在最熱溫度，使材料以固定速率流過，然後關閉加熱器。

「弄清楚如何進行該測試確實很困難。試圖找到擠出機的極限意味著您在測試時會經常損壞擠出機。關閉加熱器並被動地關閉的概念進行測量就是'頓悟'時刻，」裡德說。

這些數據被輸入到一個函數中，該函數根據相對溫度和壓力輸入自動產生材料和機器配置的真實參數。然後，使用者可以將這些參數輸入 3D 列印軟體並產生印表機指令。

在使用六種不同材料（其中幾種是生物基材料）進行的實驗中，該方法自動產生可行的參數，這些參數始終能夠成功列印出複雜的物體。

展望未來，研究人員計劃將此流程與 3D 列印軟體集成，這樣就不需要手動輸入參數。此外，他們希望透過結合熱端的熱力學模型來增強他們的工作流程，熱端是熱端的一部分。印表機熔化燈絲。

這種合作現在正在更廣泛地開發計算計量學，其中測量的輸出是一個預測模型而不僅僅是一個參數。研究人員將把這項技術應用到先進製造的其他領域，以及擴大計量學的應用範圍。

「透過開發一種自動生成熔絲製造製程參數的新方法，這項研究為使用具有可變和未知行為的回收和生物基長絲打開了大門。重要的是，這增強了數位製造技術的潛力利用當地採購的可持續材料，」智利聖地亞哥大學行政與經濟學院副教授Alysia Garmulewicz 說道，她沒有參與這項工作。

更多資訊：Jake Robert Read 等人，熔絲製造中參數發現的線上測量，整合材料與製造創新（2024）。DOI：10.1007/s40192-024-00350-w

這個故事由麻省理工學院新聞轉載（web.mit.edu/新聞辦公室/），一個熱門網站，涵蓋有關麻省理工學院研究、創新和教學的新聞。