Μια καινοτόμος προσέγγιση από το MIT ενσωματώνει τους περιορισμούς της 3D εκτύπωσης στον σχεδιασμό, βελτιώνοντας την ακρίβεια και αξιοπιστία
Η δυναμική πρόοδος στον χώρο της τρισδιάστατης εκτύπωσης συνοδεύεται από προκλήσεις: όταν ο σχεδιασμός αγνοεί τις τεχνικές δυνατότητες των εκτυπωτών, το τελικό αποτέλεσμα συχνά αποκλίνει από τις ιδιότητες που είχε στο χαρτί. Ερευνητές του MIT ανέπτυξαν πρόσφατα μια νέα τεχνική που «μαθαίνει» στο σχεδιαστικό λογισμικό τους περιορισμούς του εκτυπωτή και ενσωματώνει αυτές τις ατέλειες στο αρχικό σχέδιο , έτσι ώστε το τελικό μέρος που εκτυπώνεται να ταιριάζει πολύ πιο κοντά στις προδιαγραφές που ορίζει ο μηχανικός.
Η βασική ιδέα είναι ότι δεν σχεδιάζεις «ιδανικά» και μετά ελπίζεις το print να πετύχει -αντίθετα, σχεδιάζεις με επίγνωση των δυνατοτήτων και αδυναμιών του μηχανήματος.
Ποια προβλήματα αντιμετώπιζε η 3D εκτύπωση
Οι ερευνητές εντόπισαν δύο κρίσιμα ζητήματα που επηρεάζουν την αξιοπιστία και την απόδοση των εκτυπωμένων μερών:
Ο εκτυπωτής συχνά υπερκαταθέτει ή υποκαταθέτει υλικό επειδή το σχέδιο ζητά πάχη τμημάτων που υπερβαίνουν τη δυνατότητα της κεφαλής να εξωθήσει υλικό με ακρίβεια.
Η επικάλυψη των στρωμάτων υλικού συχνά παρουσιάζει ασθενείς δεσμούς, καθιστώντας τα μέρη ευάλωτα σε αποκόλληση ή καταστροφή κάτω από φορτίσεις.
Όταν δεν λαμβάνεται υπόψη αυτές οι περιοριστικές συνθήκες, το υλικό ή το σχέδιο αποκλίνουν από τη θεωρητική συμπεριφορά: ένα κομμάτι μπορεί να γίνει βαρύτερο, ελαφρύτερο, λιγότερο ανθεκτικό ή να παρουσιάζει απρόβλεπτες αλλαγές στην απόδοση.
Η προσέγγιση των MIT ερευνητών προσπαθεί να γεφυρώσει αυτό το χάσμα ανάμεσα σε σχεδιασμό και πραγματικότητα.
Πώς λειτουργεί η νέα τεχνική
Η μέθοδος εισάγει στο μοντέλο σχεδίασης πληροφορίες όπως:
το πλάτος και η ροή της εκτυπωτικής κεφαλής
η θέση του κέντρου του ρεύματος εξώθησης
οι ατέλειες στη συγκόλληση μεταξύ των στρωμάτων
Με αυτό τον τρόπο, τα λογισμικά βελτιστοποίησης δεν δημιουργούν σχέδια που είναι στα όρια του εκτυπωτή, αλλά σχέδια που είναι κατασκευάσιμα και πιο προβλέψιμα.
Σε δοκιμές με αναπαραγωγή μικρών πόρων και διαφορετικής πυκνότητας υλικού, τα παραδοσιακά σχέδια απέκλιναν σημαντικά από την επιθυμητή συμπεριφορά. Η τεχνική του MIT μείωσε αυτές τις αποκλίσεις και διατήρησε πιο σταθερή απόδοση ακόμα και σε χαμηλές υλικές πυκνότητες.
Οι δημιουργοί της έδειξαν ότι η νέα προσέγγιση μπορεί να συνδυαστεί με διαφορετικά υλικά όπως κεραμικά ή τσιμέντο στο μέλλον, ώστε να γίνει ευρύτερα εφαρμόσιμη.
Τι σημαίνει για εφαρμογές υψηλών απαιτήσεων
Σε τομείς όπως η αεροναυπηγική, η ιατρική και η αυτοκινητοβιομηχανία, η ακρίβεια και αξιοπιστία στους σχεδιασμούς είναι κρίσιμα στοιχεία , η απόκλιση μιας μικρής διατομής μπορεί να οδηγήσει σε σημαντικά προβλήματα.
Με τη νέα μέθοδο:
Οι πτέρυγες αεροσκαφών που κατασκευάζονται με εσωτερικές δομές μπορούν να είναι πιο ελαφριές και ταυτόχρονα ασφαλείς.
Τα ιατρικά εμφυτεύματα, όπου η βιοδυναμική συμπεριφορά είναι κρίσιμη, μπορούν να έχουν πιο προβλέψιμες ιδιότητες.
Τα πολύπλοκα αρχιτεκτονικά στοιχεία (με κόμβους, αγωγούς, εσωτερικές κοιλότητες) γίνονται πιο εύκολα κατασκευάσιμα με λιγότερα σφάλματα.
Η τεχνική αυτή θα μπορούσε να καθιερωθεί σε εργαλεία CAD/CAE, ώστε οι μηχανικοί να σχεδιάζουν από την αρχή με γνώση των ορίων του εκτυπωτή.
Προκλήσεις και περιορισμοί
Παρά τα σημαντικά οφέλη, η μέθοδος βρίσκεται ακόμη σε ερευνητικό στάδιο και καλείται να αντιμετωπίσει:
-την εφαρμογή σε υλικά με υψηλή πυκνότητα
-την επεκτασιμότητα σε πολύ μεγάλα και πολύπλοκα μέρη
-την ενσωμάτωση σε υπάρχοντα σχεδιαστικά εργαλεία και ροές παραγωγής
-τη μεταφορά της τεχνικής σε διάφορες τεχνολογίες εκτύπωσης (όπως powder bed, extrusion, SLA κ.ά.)
Οι ερευνητές εργάζονται ήδη στην επέκταση της προσέγγισης για μεγαλύτερα υλικά και καλύτερη απόδοση στο μέλλον.
Με την ενσωμάτωση των περιορισμών του εκτυπωτή στο στάδιο του σχεδιασμού, η ομάδα του MIT κατορθώνει να μειώσει την απόκλιση μεταξύ θεωρίας και πρακτικής στην 3D εκτύπωση. Η τεχνική αυτή αντιπροσωπεύει ένα σημαντικό άλμα προς πιο αξιόπιστα και προβλέψιμα μέρη , ειδικά σε εφαρμογές όπου το λάθος δεν συγχωρείται.
Αν η προσέγγιση γίνει ευρέως υιοθετημένη, οι μελλοντικοί σχεδιαστές θα «σχεδιάζουν με γνώση» αντί να βασίζονται στην τύχη. Η επόμενη φάση θα είναι να ενσωματωθεί σε εμπορικά εργαλεία και να δοκιμαστεί σε πλήρεις εφαρμογές.
