این تحقیق می‌تواند به کاهش تأثیرات زیست‌محیطی تولید افزودنی کمک کند. در حالی که چاپ سه‌بعدی به شدت در محبوبیت افزایش یافته است، بسیاری از مواد پلاستیکی که این پرینترها برای ایجاد اشیاء استفاده می‌کنند به راحتی قابل بازیافت نیستند. در حالی که مواد جدید پایداری برای استفاده در چاپ سه‌بعدی در حال ظهور هستند، پذیرش آن‌ها همچنان دشوار است زیرا تنظیمات پرینتر سه‌بعدی برای هر ماده نیاز به تنظیم دارد، فرایندی که عموماً به صورت دستی انجام می‌شود.
برای چاپ یک ماده جدید از ابتدا، معمولاً باید تا 100 پارامتر در نرم‌افزاری تنظیم شود که کنترل می‌کند چگونه پرینتر ماده را در حین ساخت شیء خارج می‌کند. مواد معمولاً استفاده شده، مانند پلیمرهای تولید انبوه، دارای مجموعه‌های پارامترهای تعیین‌شده‌ای هستند که از طریق فرایندهای خسته‌کننده و تکراری بهبود یافته‌اند. اما خواص مواد تجدیدپذیر و قابل بازیافت می‌تواند به شدت بسته به ترکیب آن‌ها تغییر کند، بنابراین ایجاد مجموعه پارامترهای ثابت تقریباً غیرممکن است. در این صورت، کاربران باید همه این پارامترها را به صورت دستی تنظیم کنند.
محققان این مشکل را با توسعه یک پرینتر سه‌بعدی که می‌تواند به تنهایی پارامترهای یک ماده ناشناخته را شناسایی کند، حل کردند.
یک تیم مشترک از مرکز Bits and Atoms MIT (CBA)، مؤسسه ملی استانداردها و فناوری آمریکا (NIST) و مرکز ملی تحقیقات علمی در یونان (Demokritos) اکسترودر، "قلب" یک پرینتر سه‌بعدی را تغییر دادند تا بتواند نیروها و جریان ماده را اندازه‌گیری کند.
این داده‌ها که از طریق یک آزمایش 20 دقیقه‌ای جمع‌آوری می‌شوند، به یک تابع ریاضی وارد می‌شوند که برای تولید خودکار پارامترهای چاپ استفاده می‌شود. این پارامترها را می‌توان در نرم‌افزارهای چاپ سه‌بعدی موجود وارد کرده و برای چاپ با ماده‌ای که تاکنون دیده نشده است، استفاده کرد. پارامترهای تولیدشده خودکار می‌توانند تقریباً نیمی از پارامترهایی که معمولاً باید به صورت دستی تنظیم شوند را جایگزین کنند. در یک سری چاپ‌های آزمایشی با مواد منحصر به فرد، از جمله چندین ماده تجدیدپذیر، محققان نشان دادند که روش آن‌ها می‌تواند به طور مداوم پارامترهای قابل قبولی تولید کند.
این تحقیق می‌تواند به کاهش تأثیرات زیست‌محیطی تولید افزودنی که معمولاً به پلیمرها و رزین‌های غیرقابل بازیافت مبتنی بر سوخت‌های فسیلی وابسته است، کمک کند.
نیل گرشنفلد، نویسنده اصلی این مقاله که رهبری CBA را بر عهده دارد، می‌گوید: "در این مقاله، ما یک روشی را نشان می‌دهیم که می‌تواند تمام این مواد جالب که بر پایه زیستی و از منابع پایدار مختلف ساخته شده‌اند را بگیرد و نشان دهد که پرینتر می‌تواند به تنهایی بفهمد چگونه این مواد را چاپ کند. هدف این است که چاپ سه‌بعدی پایدارتر شود."
نویسندگان همکار او شامل جیک رید، دانشجوی کارشناسی ارشد در CBA که توسعه پرینتر را رهبری کرده است؛ جاناتان سپالا، مهندس شیمی در بخش علوم و مهندسی مواد NIST؛ فیلیپوس تورلوموسیس، پسا دکتری سابق CBA که اکنون رهبری آزمایشگاه علوم خودمختار در Demokritos را بر عهده دارد؛ جیمز وارن، که رهبری برنامه ژنوم مواد در NIST را بر عهده دارد؛ و نیکول باکر، دستیار پژوهشی در CBA هستند. این تحقیق در مجله Integrating Materials and Manufacturing Innovation منتشر شده است.
### تغییر خواص مواد
در ساخت لایه‌ای با فیلامنت ذوب شده (FFF)، که اغلب در نمونه‌سازی سریع استفاده می‌شود، پلیمرهای ذوب شده از طریق یک نازل گرم به صورت لایه به لایه بیرون می‌آیند تا یک قطعه ساخته شود. نرم‌افزار، که به عنوان اسلایسر شناخته می‌شود، دستورالعمل‌هایی را به ماشین ارائه می‌دهد، اما اسلایسر باید برای کار با یک ماده خاص پیکربندی شود.
استفاده از مواد تجدیدپذیر یا بازیافتی در یک پرینتر سه‌بعدی FFF به ویژه چالش‌برانگیز است زیرا متغیرهای زیادی وجود دارند که خواص ماده را تحت تأثیر قرار می‌دهند.
به عنوان مثال، یک پلیمر یا رزین زیستی ممکن است بر اساس ترکیب گیاهان مختلف در طول فصل متغیر باشد. خواص مواد بازیافتی نیز بسته به موادی که برای بازیافت در دسترس هستند، به شدت متفاوت است.
رید می‌گوید: "در فیلم 'بازگشت به آینده'، یک مخلوط‌کن 'Mr. Fusion' وجود دارد که داک هر چه دارد را داخل آن می‌اندازد و کار می‌کند [به عنوان منبع تغذیه برای ماشین زمان دلوئری]. این همان ایده‌ای است که اینجا داریم. به طور ایده‌آل، با بازیافت پلاستیک‌ها، می‌توانید هر چه دارید را خرد کنید و با آن چاپ کنید. اما، با سیستم‌های پیش‌بینی فعلی، این کار امکان‌پذیر نیست زیرا اگر فیلامنت شما به طور قابل توجهی در طول چاپ تغییر کند، همه چیز خراب می‌شود."
برای غلبه بر این چالش‌ها، محققان یک پرینتر سه‌بعدی و جریان کاری توسعه دادند که بتواند پارامترهای فرآیندی قابل قبولی را برای هر ماده ناشناخته‌ای به طور خودکار شناسایی کند.
آن‌ها با یک پرینتر سه‌بعدی که قبلاً در آزمایشگاه خود توسعه داده بودند که می‌تواند داده‌ها را جمع‌آوری کرده و بازخورد ارائه دهد، شروع کردند. محققان سه ابزار به اکسترودر ماشین اضافه کردند که اندازه‌گیری‌هایی را انجام می‌دهند که برای محاسبه پارامترها استفاده می‌شوند.
یک سلول بار فشار وارد بر فیلامنت چاپ را اندازه‌گیری می‌کند، در حالی که یک سنسور نرخ تغذیه ضخامت فیلامنت و نرخ واقعی تغذیه آن از طریق پرینتر را اندازه‌گیری می‌کند. وارن می‌گوید: "این ترکیب اندازه‌گیری، مدل‌سازی و تولید در قلب همکاری بین NIST و CBA است، زیرا ما در حال توسعه چیزی هستیم که آن را 'متروژین محاسباتی' می‌نامیم."
این اندازه‌گیری‌ها می‌توانند برای محاسبه دو پارامتر چاپی که مهمترین و در عین حال دشوارترین هستند، استفاده شوند: نرخ جریان و دما. تقریباً نیمی از تنظیمات چاپ در نرم‌افزار استاندارد به این دو پارامتر مرتبط هستند.
### استخراج مجموعه داده
پس از اینکه ابزارهای جدید را جایگذاری کردند، محققان یک آزمایش 20 دقیقه‌ای توسعه دادند که مجموعه‌ای از خوانش‌های دما و فشار را در نرخ‌های جریان مختلف تولید می‌کند. اساساً، آزمایش شامل تنظیم نازل چاپ در بالاترین دمای خود، جریان دادن ماده از طریق یک نرخ ثابت و سپس خاموش کردن هیتر است.
رید می‌گوید: "فهمیدن چگونگی کارکرد این آزمایش واقعاً دشوار بود. تلاش برای پیدا کردن محدودیت‌های اکسترودر به معنای این است که شما اکسترودر را هنگام آزمایش به طور مکرر خراب خواهید کرد. مفهوم خاموش کردن هیتر و به سادگی اندازه‌گیری‌های منفعلانه گرفتن لحظه‌ای بود."
این داده‌ها به یک تابع وارد می‌شوند که پارامترهای واقعی برای ماده و پیکربندی ماشین را به طور خودکار بر اساس ورودی‌های دما و فشار نسبی تولید می‌کند. کاربر می‌تواند سپس آن پارامترها را به نرم‌افزار چاپ سه‌بعدی وارد کند و دستورالعمل‌هایی برای پرینتر تولید کند.
در آزمایش‌ها با شش ماده مختلف، چندین مورد از آن‌ها زیستی بودند، این روش به طور خودکار پارامترهای قابل قبولی تولید کرد که به طور مداوم منجر به چاپ‌های موفقیت‌آمیز اشیاء پیچیده شد.
به جلو حرکت می‌کنیم، محققان قصد دارند این فرایند را با نرم‌افزار چاپ سه‌بعدی ادغام کنند تا پارامترها به صورت دستی وارد نشوند. علاوه بر این، آن‌ها می‌خواهند جریان کاری خود را با ادغام یک مدل ترمودینامیکی از بخش گرم، که قسمتی از پرینتر است که فیلامنت را ذوب می‌کند، بهبود بخشند. این همکاری اکنون به طور گسترده‌تر در حال توسعه متروژین محاسباتی است، که در آن خروجی یک اندازه‌گیری یک مدل پیش‌بینی‌کننده است نه فقط یک پارامتر. محققان این را در سایر زمینه‌های تولید پیشرفته و همچنین در گسترش دسترسی به متروژین اعمال خواهند
کرد.
این تحقیق با حمایت مؤسسه ملی استانداردها و فناوری و کنسرسیوم مرکز Bits and Atoms انجام شده است.
