Optymalizacja drukowania 3D materiałów naturalnych na dużą skalę

Według naukowców kompozyty wykonane z naturalnych materiałów o dobrych właściwościach mechanicznych są ograniczone w użyciu, o ile są często mieszane z tworzywami sztucznymi lub rozpuszczalnikami niebezpiecznymi, a w większości przypadków ich zastosowanie zostało wykazane tylko w mniejszej skali. . Ponieważ większość naturalnych materiałów biokompozytowych jest opartych na wodzie, przedstawiają one swój własny zestaw wyzwań, ponieważ po wyschnięciu i stwardnieniu, usunięcie wilgoci powoduje zmiany w strukturze i wymiarze.

W badaniu naukowcy wykorzystali materiał celulozowo-chitynowy, który nadaje się zarówno do recyklingu, jak i do kompostowania. W stanie suchym jego właściwości mechaniczne są podobne do właściwości sztywnej pianki poliuretanowej. W stanie mokrym jest giętki i wykazuje tiksotropię, co oznacza, że ​​jest lepki, gdy znajduje się w stanie statycznym, ale płynie pod ciśnieniem z wytłaczarki. Po wyschnięciu kurczy się anizotropowo.

"Nasze podejście do produkcji dodatków z tym materiałem przypomina metodę bezpośredniego zapisu atramentowego, biorąc pod uwagę stan koloidalny użytego materiału" - wyjaśniają naukowcy. "Jednakże, podobnie jak w procesie modelowania topionego osadu, stosujemy również podejście oparte na filamentarstwie włóknistym. Z wytłaczarką zamontowaną na przemysłowym systemie robotycznym skala procesu rozciąga się na fizyczny zasięg robota. "

System składał się z trzech głównych komponentów: sześcioosiowego robota przemysłowego przegubowego, precyzji dozownik materiału i system pompy materiałowej. Wykorzystano dwie kamery, aby uchwycić górny i boczny widok włókien, pozwalając naukowcom zmierzyć wymiary materiału. Użyli modeli matematycznych, aby "odkryć możliwe wymiary filamentu, które można uzyskać w granicach działania naszego systemu" i zoptymalizować parametry maszyny.

Aby przetestować modele, naukowcy 3D wydrukowali trzy kopie filamentów o różnych ustawieniach maszyny. Szerokość i wysokość włókien w stanie mokrym i suchym zmierzono wraz z ich wytrzymałością na rozciąganie po suszeniu. Ogólnie rzecz biorąc, wyniki potwierdziły dokładność modeli badaczy.

"Liniowe skalowanie skurczu całkowitej szerokości wraz ze stałym skurczem długości i wysokości powtarzających się jednostek zapewnia cenny wgląd w tworzenie algorytmów ścieżek, które przewidują i odpowiednio kompensują skurcz ", dodają.

Eksperymenty badaczy pozwoliły im rozwinąć" podstawową wiedzę dotyczącą wzajemnego oddziaływania materiału z wytłaczaniemproces, związany z kontrolowalnymi parametrami z geometrycznymi i fizycznymi właściwościami poszczególnych filamentów. "Zidentyfikowali boczne ustawienia nakładania się, które łączą filamenty z siłą większą niż pojedyncze filamenty, oraz" łagodzenie przekroju poprzecznego ścian i wykazali liniową skalowalność modeli skurczu w 3D przestrzeń, której można używać do ustawiania ścieżek narzędziowych i umożliwia dokładne drukowanie. "

W toku badań naukowcom udało się wydrukować trójwymiarową pionową rurową konstrukcję o wysokości 0,25 m, o długości 1,2 m łopata turbiny i 5-metrowa konstrukcja złożona z wielu segmentów o powierzchni orz. Potrzeba więcej pracy, mówią, aby zrozumieć złożoną kompresję warstw i zjawiska zbijania się w strukturach jedno- i wielościennych, a także zbadać zachowanie projektów o dowolnych formach i wewnętrznych struktur sieci strukturalnych

"Podczas drukowania 3D w przypadku materiałów naturalnych jest z pewnością trudniejsze w porównaniu do dobrze zachowanych materiałów klasy przemysłowej, pozytywne wyniki w zakresie zrozumienia i kontrolowania biomateriałów drukowanych 3D, pozytywne działania w tym kierunku, przedstawione tutaj, mogą wpłynąć na ogólne przejawianie się w kierunku bardziej zrównoważonej przyszłości "- podsumowują naukowcy.

Autorami publikacji są Yadunund Vijay, Naresh D. Sanandiya, Stylianos Dritsas i Javier G. Fernandez.