Muitos dos materiais plásticos que as impressoras 3D usam para criar objetos não podem ser facilmente reciclados. De acordo com o MIT, embora novos materiais sustentáveis estejam surgindo para uso na impressão 3D, eles continuam difíceis de adotar porque as configurações da impressora 3D precisam ser ajustadas para cada material. Para imprimir um novo material do zero, normalmente é necessário configurar até 100 parâmetros no software que controla como a impressora extrudará o material à medida que fabrica um objeto.
Materiais comumente usados, como polímeros fabricados em massa, estabeleceram conjuntos de parâmetros que foram aperfeiçoados por meio de processos tediosos de tentativa e erro. No entanto, as propriedades dos materiais renováveis e recicláveis podem variar amplamente com base na sua composição, pelo que é quase impossível criar conjuntos de parâmetros fixos. Neste caso, o usuário deverá desenvolver estes parâmetros manualmente. Pesquisadores do MIT resolveram esse problema desenvolvendo uma impressora 3D que pode identificar automaticamente os parâmetros de um material desconhecido por conta própria.
Uma equipe colaborativa do Centro de Bits e Átomos (CBA) do MIT, do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos EUA (NIST) e do Centro Nacional de Pesquisa Científica da Grécia (Demokritos) modificou a extrusora para medir as forças e o fluxo de um material . Esses dados, coletados por meio de um teste de 20 minutos, são inseridos em uma função matemática que é usada para gerar automaticamente parâmetros de impressão. Esses parâmetros podem ser inseridos em software de impressão 3D pronto para uso e usados para imprimir com um material nunca antes visto.
Os parâmetros gerados automaticamente podem substituir cerca de metade dos parâmetros que normalmente devem ser ajustados manualmente. Numa série de impressões de teste com materiais únicos, incluindo vários materiais renováveis, os investigadores mostraram que o seu método pode produzir parâmetros viáveis de forma consistente. Esta investigação poderia ajudar a reduzir o impacto ambiental da produção aditiva, que normalmente depende de polímeros e resinas não recicláveis derivadas de combustíveis fósseis.
“Neste artigo, demonstramos um método que pode pegar todos esses materiais interessantes de base biológica e feitos de várias fontes sustentáveis e mostrar que o impressor pode descobrir sozinho como imprimir esses materiais. O objetivo é tornar a impressão 3D mais sustentável”, disse o autor sênior Neil Gershenfeld, que lidera a CBA.
Seus coautores incluem o primeiro autor Jake Read, um estudante de pós-graduação da CBA, que liderou o desenvolvimento da impressora; Jonathan Seppala, engenheiro químico da Divisão de Ciência e Engenharia de Materiais do NIST; Filippos Tourlomousis, ex-pós-doutorado do CBA que agora dirige o Laboratório Autônomo de Ciências em Demokritos; James Warren, que lidera o Programa Genoma de Materiais do NIST; e Nicole Bakker, assistente de pesquisa da CBA. A pesquisa é publicada na revista Integrating Materials and Manufacturing Innovation.
Mudança de propriedades de materiais
Na fabricação de filamentos fundidos (FFF), o software de fatiamento fornece instruções para a máquina, mas o fatiador deve ser configurado para funcionar com um material específico. Usar materiais renováveis ou reciclados em uma impressora 3D FFF é especialmente desafiador porque existem muitas variáveis que afetam as propriedades do material. Por exemplo, um polímero ou resina de base biológica pode ser composto por diferentes misturas de plantas com base na estação. As propriedades dos materiais reciclados também variam amplamente com base no que está disponível para reciclagem.
“Em ‘De Volta para o Futuro’, há um ‘Sr. Liquidificador Fusion ‘onde Doc simplesmente joga tudo o que tem no liquidificador e funciona [como fonte de energia para a máquina do tempo DeLorean]. Essa é a mesma ideia aqui. Idealmente, com a reciclagem de plásticos, você poderia simplesmente destruir o que tem e imprimir com ele. Mas, com os atuais sistemas feed-forward, isso não funcionará porque se o seu filamento mudar significativamente durante a impressão, tudo se quebrará”, disse Read.
Para superar esses desafios, os pesquisadores desenvolveram uma impressora 3D e um fluxo de trabalho para identificar automaticamente parâmetros de processo viáveis para qualquer material desconhecido. Eles começaram com uma impressora 3D que seu laboratório havia desenvolvido anteriormente e que pode capturar dados e fornecer feedback enquanto opera. Os pesquisadores adicionaram três instrumentos à extrusora da máquina que fazem medições que são utilizadas para calcular parâmetros. Uma célula de carga mede a pressão exercida no filamento de impressão, enquanto um sensor de taxa de alimentação mede a espessura do filamento e a taxa real com que ele está sendo alimentado através da impressora.
“Essa fusão de medição, modelagem e fabricação está no centro da colaboração entre o NIST e o CBA, à medida que trabalhamos para desenvolver o que chamamos de ‘metrologia computacional’”, disse Warren. Essas medições podem ser usadas para calcular os dois parâmetros de impressão mais importantes, embora difíceis de determinar: vazão e temperatura. Quase metade de todas as configurações de impressão no software padrão estão relacionadas a esses dois parâmetros.
Derivando um conjunto de dados
Depois de instalar os novos instrumentos, os pesquisadores desenvolveram um teste de 20 minutos que gera uma série de leituras de temperatura e pressão em diferentes vazões. Essencialmente, o teste envolve configurar o bocal de impressão na temperatura mais alta – fluindo o material a uma taxa fixa e, em seguida, desligando o aquecedor.
“Foi realmente difícil descobrir como fazer esse teste funcionar. Tentar encontrar os limites da extrusora significa que você quebrará a extrusora com bastante frequência enquanto a testa. A ideia de desligar o aquecedor e fazer medições passivamente foi o momento ‘aha’”, disse Read.
Esses dados são inseridos em uma função que gera automaticamente parâmetros reais para a configuração do material e da máquina, com base nas entradas relativas de temperatura e pressão. O usuário pode então inserir esses parâmetros no software de impressão 3D e gerar instruções para a impressora.
Em experimentos com seis materiais diferentes, vários dos quais de base biológica, o método gerou automaticamente parâmetros viáveis que levaram consistentemente a impressões bem-sucedidas de um objeto complexo.
No futuro, os pesquisadores do MIT planejam integrar esse processo ao software de impressão 3D para que os parâmetros não precisem ser inseridos manualmente. Além disso, pretendem melhorar o seu fluxo de trabalho incorporando um modelo termodinâmico do hot end, que é a parte da impressora que derrete o filamento.
Esta colaboração está agora a desenvolver de forma mais ampla a metrologia computacional, na qual o resultado de uma medição é um modelo preditivo e não apenas um parâmetro. Os pesquisadores aplicarão isso em outras áreas de manufatura avançada, bem como na expansão do acesso à metrologia.
“Ao desenvolver um novo método para a geração automática de parâmetros de processo para fabricação de filamentos fundidos, este estudo abre as portas para o uso de filamentos reciclados e de base biológica que possuem comportamentos variáveis e desconhecidos. É importante ressaltar que isso aumenta o potencial da tecnologia de fabricação digital para utilizar materiais sustentáveis de origem local”, disse Alysia Garmulewicz, professora associada da Faculdade de Administração e Economia da Universidade de Santiago, no Chile, que não esteve envolvida neste trabalho. Para saber mais sobre o trabalho acesse o site.
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