这台3D打印机可以弄清楚如何用未知材料进行打印

虽然3D打印已经流行起来，但这些打印机用来制造物体的许多塑料材料都不容易回收。虽然新的可持续材料正在出现在3D打印中，但它们仍然很难采用，因为3D打印机的设置需要针对每种材料进行调整，这一过程通常是手工完成的。

要从头开始打印一种新材料，通常必须在软件中设置多达100个参数，以控制打印机在制造物体时如何挤出材料。常用的材料，如大规模生产的聚合物，已经建立了一系列参数，这些参数通过繁琐的、反复试验的过程得到完善。

但是，可再生和可回收材料的性能会根据其组成而波动很大，因此几乎不可能创建固定的参数集。在这种情况下，用户必须手动提出所有这些参数。

研究人员通过开发一种3D打印机来解决这个问题，这种打印机可以自动识别未知材料的参数。

麻省理工学院比特与原子中心(CBA)、美国国家标准与技术研究院(NIST)和希腊国家科学研究中心(Demokritos)的一个合作团队修改了挤出机，这是3D打印机的“心脏”，因此它可以测量材料的力和流量。

通过20分钟的测试收集到的这些数据被输入到一个数学函数中，该函数用于自动生成打印参数。这些参数可以输入到现成的3D打印软件中，并用于打印从未见过的材料。

自动生成的参数可以替代通常必须手动调整的参数的一半左右。在一系列独特材料(包括几种可再生材料)的测试打印中，研究人员表明，他们的方法可以始终如一地产生可行的参数。

这项研究可以帮助减少增材制造对环境的影响，增材制造通常依赖于来自化石燃料的不可回收聚合物和树脂。

“在这篇论文中，我们展示了一种方法，可以采用所有这些有趣的生物基材料，由各种可持续来源制成，并表明打印机可以自己找出如何打印这些材料。我们的目标是让3D打印更具可持续性，”资深作者尼尔·格申菲尔德说，他是CBA的负责人。

他的合著者包括第一作者杰克·里德，他是CBA的研究生，领导了打印机的开发;Jonathan Seppala, NIST材料科学与工程部门的化学工程师;前CBA博士后，现领导Demokritos自治科学实验室的filipos Tourlomousis;NIST材料基因组项目负责人詹姆斯·沃伦(James Warren);以及CBA的研究助理妮可·巴克。这项研究发表在《集成材料与制造创新》杂志上。

移动材料特性

在熔融长丝制造(FFF)中，熔融聚合物通过加热的喷嘴逐层挤出来构建零件，这通常用于快速成型。称为切片机的软件为机器提供指令，但切片机必须配置为处理特定材料。

在FFF 3D打印机中使用可再生或可回收材料尤其具有挑战性，因为影响材料性能的变量太多了。

例如，生物基聚合物或树脂可以根据季节由不同的植物混合物组成。根据可回收材料的不同，回收材料的性能也有很大差异。

“在《回到未来》(Back to the Future)中，有一位‘Mr。融合式搅拌器，博士只要把他所有的东西扔进搅拌器，它就能工作(作为德罗宁时光机的电源)。这和这里是一样的。理想情况下，通过塑料回收，你可以把你拥有的东西撕碎，然后用它来打印。但是，对于目前的前馈系统，这是行不通的，因为如果你的灯丝在打印过程中发生显著变化，一切都会破裂，”里德说。

为了克服这些挑战，研究人员开发了3D打印机和工作流程，以自动识别任何未知材料的可行工艺参数。

他们从实验室之前开发的3D打印机开始，该打印机可以捕获数据并在运行时提供反馈。研究人员在机器的挤出机上增加了三种仪器，用于测量用于计算参数的数据。

负载传感器测量施加在打印灯丝上的压力，而进给速率传感器测量灯丝的厚度和它通过打印机的实际进给速率。

沃伦说:“测量、建模和制造的融合是NIST和CBA合作的核心，因为我们正在开发我们所谓的‘计算计量学’。”

这些测量可用于计算两个最重要但难以确定的打印参数:流速和温度。标准软件中几乎一半的打印设置都与这两个参数有关。

获取数据集

一旦他们有了新的仪器，研究人员开发了一个20分钟的测试，在不同的流速下产生一系列的温度和压力读数。从本质上讲，测试包括将打印喷嘴设置在最高温度，以固定速率流过材料，然后关闭加热器。

“真的很难弄清楚如何让测试起作用。试图找到挤出机的限制意味着你会经常打破挤出机，而你正在测试它。关掉加热器，只是被动地进行测量的想法是“啊哈”的时刻，“Read说。

这些数据被输入到一个功能中，该功能根据相对温度和压力输入，自动生成材料和机器配置的真实参数。然后，用户可以将这些参数输入到3D打印软件中，并为打印机生成指令。

在六种不同材料(其中几种是生物基材料)的实验中，该方法自动生成可行的参数，这些参数始终如一地导致复杂物体的成功打印。

展望未来，研究人员计划将这一过程与3D打印软件集成，这样就不需要手动输入参数了。此外，他们希望通过结合热端热力学模型来增强他们的工作流程，热端是打印机熔化长丝的部分。

这种合作现在正在更广泛地发展计算计量学，其中测量的输出是一个预测模型，而不仅仅是一个参数。研究人员将把它应用于其他先进制造领域，以及扩大计量的使用范围。

“通过开发一种自动生成熔融长丝制造工艺参数的新方法，这项研究为使用具有可变和未知行为的再生和生物基长丝打开了大门。重要的是，这增强了数字制造技术利用当地可持续材料的潜力，”智利圣地亚哥大学管理与经济学院副教授Alysia Garmulewicz说，他没有参与这项工作。

这项研究得到了美国国家标准与技术研究所和比特与原子联盟中心的部分支持。