כיצד מדפסת תלת מימד חדשה שולטת באופן אוטומטי בחומרים ברי קיימא מגוונים

ההתקדמות עשויה לעזור להפוך את הדפסת התלת מימד לבת קיימא יותר, ולאפשר הדפסה עם חומרים מתחדשים או ניתנים למחזור שקשה לאפיין.

בעוד שהדפסת תלת מימד התפוצצה בפופולריות, רבים מהחומרים הפלסטיים שהמדפסות הללו משתמשות בהן ליצירת חפצים לא ניתנים למחזור בקלות. בעוד חומרים ברי קיימא חדשים צצים לשימוש בהדפסת תלת מימד, הם עדיין קשים לאימוץ מכיוון שצריך להתאים את הגדרות מדפסת התלת מימד לכל חומר, תהליך שנעשה בדרך כלל ביד.

כדי להדפיס חומר חדש מאפס, בדרך כלל יש להגדיר עד 100 פרמטרים בתוכנה השולטת כיצד המדפסת תוציא את החומר כשהיא מייצרת אובייקט. חומרים בשימוש נפוץ, כמו פולימרים בייצור המוני, הקימו סטים של פרמטרים ששוכללו באמצעות תהליכי ניסוי וטעייה מייגעים.

אבל המאפיינים של חומרים מתחדשים וניתנים למחזור יכולים להשתנות במידה רבה על סמך הרכבם, כך שכמעט בלתי אפשרי ליצור ערכות פרמטרים קבועות. במקרה זה, המשתמשים חייבים להמציא את כל הפרמטרים הללו ביד.

פתרונות חדשניים בטכנולוגיית הדפסת תלת מימד

חוקרים התמודדו עם בעיה זו על ידי פיתוח מדפסת תלת מימד שיכולה לזהות באופן אוטומטי את הפרמטרים של חומר לא ידוע בעצמה.

צוות שיתופי מ MITהמרכז של סיביות ואטומים (CBA), המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה של ארה"ב (NIST), והמרכז הלאומי למחקר מדעי ביוון (Demokritos) שינו את האקסטרודר, "הלב" של מדפסת תלת מימד, כך שזה יכול למדוד את הכוחות והזרימה של חומר.

נתונים אלו, שנאספו באמצעות בדיקה של 20 דקות, מוזנים לפונקציה מתמטית המשמשת להפקה אוטומטית של פרמטרי הדפסה. ניתן להזין את הפרמטרים הללו לתוכנת הדפסת תלת מימד מהמדף ולהשתמש בהם כדי להדפיס עם חומר שטרם נראה.

אוטומציה של הגדרות פרמטרים

הפרמטרים שנוצרו אוטומטית יכולים להחליף כמחצית מהפרמטרים שבדרך כלל חייבים להיות מכוונים ביד. בסדרה של הדפסות בדיקה עם חומרים ייחודיים, כולל מספר חומרים מתחדשים, הראו החוקרים כי השיטה שלהם יכולה לייצר באופן עקבי פרמטרים ברי קיימא.

מחקר זה עשוי לסייע בהפחתת ההשפעה הסביבתית של ייצור תוספים, אשר מסתמך בדרך כלל על פולימרים ושרף בלתי ניתנים למחזור המופקים מדלקים מאובנים.

"במאמר זה, אנו מדגימים שיטה שיכולה לקחת את כל החומרים המעניינים הללו שהם מבוססי ביו ועשויים ממקורות ברי קיימא שונים ולהראות שהמדפסת יכולה להבין בעצמה כיצד להדפיס את החומרים הללו. המטרה היא להפוך את הדפסת תלת מימד לבת קיימא יותר", אומר הסופר הבכיר ניל גרשנפלד, המוביל CBA.

מחבריו המשותפים כוללים את הסופר הראשון ג'ייק ריאד, סטודנט לתואר שני ב-CBA שהוביל את פיתוח המדפסות; ג'ונתן ספלה, מהנדס כימי בחטיבה למדע והנדסת חומרים של NIST; פיליפוס טורלומוסיס, פוסט-דוקטורט לשעבר ב-CBA, שעומד כעת בראש מעבדת המדע האוטונומית בדמוקריטוס; ג'יימס וורן, שמוביל את תוכנית הגנום החומרים ב-NIST; וניקול באקר, עוזרת מחקר ב-CBA. המחקר פורסם בכתב העת שילוב חומרים וחדשנות ייצור.

העברת מאפייני חומר

בייצור נימה התמזגה (FFF), המשמש לעתים קרובות בייצור אב-טיפוס מהיר, פולימרים מותכים מחולצים דרך זרבובית מחוממת שכבה אחר שכבה כדי לבנות חלק. תוכנה, הנקראת slicer, מספקת הוראות למכונה, אך יש להגדיר את slicer כך שיעבוד עם חומר מסוים.

שימוש בחומרים מתחדשים או ממוחזרים במדפסת תלת מימד FFF הוא מאתגר במיוחד מכיוון שיש כל כך הרבה משתנים המשפיעים על תכונות החומר.

לדוגמה, פולימר או שרף על בסיס ביו עשויים להיות מורכבים מתערובות שונות של צמחים בהתאם לעונה. המאפיינים של חומרים ממוחזרים משתנים גם הם מאוד בהתבסס על מה שזמין למיחזור.

"ב'בחזרה לעתיד', יש 'מר. בלנדר של Fusion שבו דוק פשוט זורק את כל מה שיש לו לתוך הבלנדר וזה עובד (כמקור כוח למכונת הזמן של DeLorean). זה אותו רעיון כאן. באופן אידיאלי, עם מיחזור פלסטיק, אתה יכול פשוט לגרוס את מה שיש לך ולהדפיס איתו. אבל, עם מערכות הזנה קדימה הנוכחיות, זה לא יעבוד כי אם החוט שלך ישתנה באופן משמעותי במהלך ההדפסה, הכל ישבר", אומר ריד.

כדי להתגבר על האתגרים הללו, החוקרים פיתחו מדפסת תלת מימד וזרימת עבודה לזיהוי אוטומטי של פרמטרים של תהליך קיימא עבור כל חומר לא ידוע.

הם התחילו עם מדפסת תלת מימד שהמעבדה שלהם פיתחה בעבר שיכולה ללכוד נתונים ולספק משוב בזמן שהיא פועלת. החוקרים הוסיפו שלושה מכשירים למכבש של המכונה שלוקחים מדידות המשמשות לחישוב פרמטרים.

תא עומס מודד את הלחץ המופעל על חוט ההדפסה, בעוד שחיישן קצב הזנה מודד את עובי החוט ואת הקצב האמיתי שבו הוא מוזן דרך המדפסת.

"המיזוג הזה של מדידה, מידול וייצור הוא לב ליבו של שיתוף הפעולה בין NIST ל-CBA, בזמן שאנו עובדים על פיתוח מה שכינינו 'מטרולוגיה חישובית'", אומר וורן.

ניתן להשתמש במדידות אלו כדי לחשב את שני פרמטרי ההדפסה החשובים ביותר, אך קשים לקביעה: קצב זרימה וטמפרטורה. כמעט מחצית מכל הגדרות ההדפסה בתוכנה סטנדרטית קשורות לשני הפרמטרים הללו.

גזירת מערך נתונים

לאחר שהרכיבו את המכשירים החדשים, החוקרים פיתחו בדיקה של 20 דקות שיוצרת סדרה של קריאות טמפרטורה ולחץ בקצבי זרימה שונים. בעיקרו של דבר, הבדיקה כוללת הגדרת פיית ההדפסה בטמפרטורה החמה ביותר שלה, הזרמת החומר בקצב קבוע ואז כיבוי המחמם.

"היה ממש קשה להבין איך לגרום למבחן הזה לעבוד. ניסיון למצוא את הגבולות של המכבש אומר שאתה עומד לשבור את המכבש לעתים קרובות למדי בזמן שאתה בודק אותו. הרעיון של כיבוי התנור וביצוע מדידות באופן פסיבי היה רגע ה'אהה'", אומר ריד.

נתונים אלו מוזנים לפונקציה שיוצרת אוטומטית פרמטרים אמיתיים עבור תצורת החומר והמכונה, בהתבסס על כניסות טמפרטורה ולחץ יחסיים. לאחר מכן המשתמש יכול להזין את הפרמטרים הללו לתוכנת הדפסת תלת מימד ולהפיק הוראות למדפסת.

בניסויים עם שישה חומרים שונים, שכמה מהם היו מבוססי ביו, השיטה יצרה אוטומטית פרמטרים ברי קיימא שהובילו בעקביות להדפסות מוצלחות של אובייקט מורכב.

בהמשך, החוקרים מתכננים לשלב תהליך זה עם תוכנת הדפסה תלת מימדית כך שאין צורך להזין פרמטרים באופן ידני. בנוסף, הם רוצים לשפר את זרימת העבודה שלהם על ידי שילוב מודל תרמודינמי של הקצה החם, שהוא החלק במדפסת שממיס את חוט הלהט.

שיתוף הפעולה הזה מתפתח כעת בצורה רחבה יותר מטרולוגיה חישובית, שבה הפלט של מדידה הוא מודל חיזוי ולא רק פרמטר. החוקרים יישמו זאת בתחומים אחרים של ייצור מתקדם, כמו גם בהרחבת הגישה למטרולוגיה.

"על ידי פיתוח שיטה חדשה להפקה אוטומטית של פרמטרי תהליך לייצור חוטים מתמזגים, מחקר זה פותח את הדלת לשימוש בחוטים ממוחזרים וביו-מבוססים בעלי התנהגויות משתנות ולא ידועות. חשוב לציין, זה משפר את הפוטנציאל של טכנולוגיית ייצור דיגיטלי להשתמש בחומרים בני קיימא ממקור מקומי", אומרת אליסיה גרמולביץ', פרופסור חבר בפקולטה למינהל וכלכלה באוניברסיטת סנטיאגו בצ'ילה שלא הייתה מעורבת בעבודה זו.

מחקר זה נתמך, בחלקו, על ידי המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה וקונסורציית המרכז לביטים ואטומים.