Er is nu een 3D-printer die zelfstandig de parameters van een onbekend materiaal kan identificeren. De gegevens worden verzameld middels een 20 minuten durende test en ingevoerd in een wiskundige functie voor printparameters.

Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Integrating Materials and Manufacturing Innovation.

Veel van de 3D-print plastics zijn moeilijk recyclebaar. Nieuwe duurzame materialen zijn moeilijk te adopteren, omdat de instellingen van de 3D-printer voor elk materiaal moeten worden aangepast. Dit proces wordt over het algemeen handmatig gedaan. Hierbij moet moet je zo'n 100 parameters invoeren in software die controleert hoe de printer het materiaal zal extruderen.

Veelgebruikte materialen, zoals op grote schaal vervaardigde polymeren, hebben vastgestelde sets parameters die werden geperfectioneerd door tijdrovende proces van trial-and-error. Maar de eigenschappen van hernieuwbare en recyclebare materialen kunnen sterk fluctueren op basis van hun samenstelling. Het is dus bijna onmogelijk om hiervoor ook vaste parameterreeksen te maken.

De metende extruder

Een samenwerkend team van het Center for Bits and Atoms (CBA) van MIT, het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology (NIST) en het Nationaal Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek in Griekenland (Demokritos) hebben de extruder zodat het de krachten en stroming van een materiaal kan meten.

Deze gegevens worden verzameld in een test van 20 minuten en ingevoerd in een wiskundige functie die vervolgens de printparameters genereert. Deze parameters worden ingevoerd in standaard 3D-printsoftware.

Halverwege

De automatisch gegenereerde parameters kunnen ongeveer de helft van de parameters vervangen die typisch met de hand moeten worden afgesteld. In een reeks testprints met unieke materialen, waaronder verschillende hernieuwbare materialen, toonden de onderzoekers aan dat hun methode consistent levensvatbare parameters kan produceren.

Verschuivende materiaaleigenschappen

Bij gefuseerde filamentfabricage (FFF) worden gesmolten polymeren laag voor laag door een verhit mondstuk geëxtrudeerd om een onderdeel te bouwen. Het gebruik van hernieuwbare of gerecyclede materialen in een FFF 3D-printer is uitdagend omdat er zoveel variabelen zijn die van invloed zijn op de materiaaleigenschappen. Bijvoorbeeld, een bio-based polymeer of hars kan bestaan uit verschillende mengsels van planten op basis van het seizoen. De eigenschappen van gerecyclede materialen variëren ook sterk op basis van wat beschikbaar is om te recyclen.

"In ‘Back to the Future' is er een ‘Mr. Fusion' blender waar Doc gewoon alles wat hij heeft in de blender gooit en het werkt [als een energiebron voor de DeLorean tijdmachine]. Dat is hier hetzelfde idee. Idealiter, met plastic recycling, zou je gewoon kunnen versnipperen wat je hebt en ermee kunnen printen. Maar met de huidige feed-forward systemen werkt dat niet omdat als je filament tijdens het printen significant verandert, alles zou breken," zegt Jake Read, die de printer ontwikkelde.

De onderzoekers begonnen met een 3D-printer die hun laboratorium eerder had ontwikkeld en die gegevens kan vastleggen en feedback kan geven tijdens het werk. De onderzoekers voegden drie instrumenten toe aan de extruder van de machine die metingen uitvoeren die worden gebruikt om parameters te berekenen: een krachtopnemer meet de druk die wordt uitgeoefend op het printfilament, terwijl een feed-snelheidssensor de dikte van het filament meet en de werkelijke snelheid waarmee die door de printer wordt gevoerd. Deze metingen dienen om de twee belangrijkste, maar moeilijk te bepalen printparameters te berekenen: stroomsnelheid en temperatuur. Bijna de helft van alle printinstellingen in standaardsoftware zijn gerelateerd aan deze twee parameters.

Het afleiden van een dataset

Nadat ze de nieuwe instrumenten hadden geïnstalleerd, ontwikkelden de onderzoekers een test van 20 minuten die een reeks temperatuur- en drukmetingen genereert bij verschillende stroomsnelheden. De test houdt in feite in dat het printmondstuk op zijn heetste temperatuur wordt ingesteld, het materiaal met een vaste snelheid wordt doorgestroomd en vervolgens de verwarming wordt uitgeschakeld.

"Het was echt moeilijk om uit te zoeken hoe je die test kon laten werken. Proberen de grenzen van de extruder te vinden betekent dat je de extruder vrij vaak zult breken terwijl je hem test. Het idee om de verwarming uit te schakelen en gewoon passief metingen te nemen was het ‘aha'-moment," zegt Read.

De gegevens worden ingevoerd in een functie die automatisch echte parameters genereert voor het materiaal en de machineconfiguratie, op basis van relatieve temperatuur- en drukinputs. De gebruiker kan die parameters vervolgens invoeren in 3D-printsoftware en instructies voor de printer genereren.

Experimenten

Bij experimenten met zes materialen, waarvan enkele bio-based, genereerde de methode automatisch haalbare parameters die consequent leidden tot succesvolle prints van een complex object.

In de toekomst zijn de onderzoekers van plan om dit proces te integreren met 3D-printsoftware, zodat parameters niet handmatig hoeven te worden ingevoerd. Bovendien willen ze hun workflow verbeteren door een thermodynamisch model van de hot end te integreren: het deel van de printer dat het filament smelt.

Computational metrology

Deze samenwerking ontwikkelt nu breder computational metrology, waarbij de output van een meting een voorspellend model is in plaats van alleen een parameter. De onderzoekers zullen dit toepassen op andere gebieden van geavanceerde fabricage, evenals het uitbreiden van de toegang tot metrologie.

"Door een nieuwe methode te ontwikkelen voor de automatische generatie van procesparameters voor gefuseerde filamentfabricage, opent dit onderzoek de deur naar het gebruik van gerecyclede en bio-based filamenten met variabele en onbekende eigenschappen. Belangrijk is dat dit het potentieel vergroot voor digitale fabricagetechnologie om gebruik te maken van lokaal beschikbare duurzame materialen," zegt Alysia Garmulewicz, universitair hoofddocent aan de Faculteit Administratie en Economie aan de Universiteit van Santiago in Chili, die niet betrokken was bij dit werk.

Dit onderzoek wordt ondersteund, onder meer, door het National Institute of Standards and Technology en de Center for Bits and Atoms Consortia.