Трехмерная печать может произвести революцию в дизайне и производстве продукции в широком диапазоне областей — от нестандартных компонентов для потребительских товаров до стоматологических изделий с трехмерной печатью, а также костных и медицинских имплантатов, которые могут спасти жизни. Однако этот процесс также создает большое количество дорогостоящих и нерациональных отходов и занимает много времени, что затрудняет широкомасштабное внедрение трехмерной печати.
Каждый раз, когда трехмерный принтер создает нестандартные объекты, особенно изделия необычной формы, ему также необходимо распечатать подставки с печатным рисунком, которые уравновешивают объект по мере того, как принтер создает слой за слоем, помогая поддерживать его целостность. Однако после печати эти опоры необходимо снимать вручную, что требует ручной обработки и может привести к неточности формы или шероховатости поверхности. Материалы, из которых сделаны опоры, часто нельзя использовать повторно, поэтому их выбрасывают, что усугубляет растущую проблему отходов трехмерной печати .
Впервые исследователи из Департамента промышленной и системной инженерии Дэниела Дж. Эпштейна USC Viterbi создали недорогой метод поддержки многократного использования, чтобы снизить потребность в 3-D принтерах для печати этих расточительных вспомогательных материалов, что значительно повысило рентабельность и устойчивость. для трехмерной печати.
Работа под руководством Йонг Чена, профессора промышленной и системной инженерии и доктора философии. студент Ян Сюй был опубликован в журнале « Аддитивное производство» .
Традиционная трехмерная печать с использованием технологии Fused Deposition Modeling (FDM) позволяет печатать слой за слоем непосредственно на статической металлической поверхности. В новом прототипе вместо печатных опор используется программируемая, динамически управляемая поверхность из подвижных металлических штифтов. Штифты поднимаются вверх по мере того, как принтер постепенно создает продукт. Чен сказал, что тестирование нового прототипа показало, что он экономит около 35% материалов, используемых для печати объектов.
«Я работаю с биомедицинскими врачами, которые занимаются трехмерной печатью с использованием биоматериалов для создания тканей или органов», — сказал Чен. «Многие из материалов, которые они используют, очень дороги — мы говорим о маленьких бутылках, которые стоят от 500 до 1000 долларов каждая».
«Для стандартных принтеров FDM стоимость материалов составляет примерно 50 долларов за килограмм, но для биопечати это больше 50 долларов за грамм. Так что, если мы сможем сэкономить 30% на материалах, которые пошли бы на печать этих опор, это огромные затраты. экономия на трехмерной печати в биомедицинских целях », — сказал Чен.
По словам Чена, помимо негативного воздействия на окружающую среду и затрат, связанных с отходами материалов, традиционные процессы трехмерной печати с использованием опор требуют больших затрат времени.
«Когда вы трехмерно печатаете сложные формы, половину времени вы создаете детали, которые вам нужны, а в другой половине — опоры. Таким образом, с этой системой мы не строим опоры. . Таким образом, с точки зрения времени печати, у нас есть экономия около 40% ».
Чен сказал, что аналогичные прототипы, разработанные в прошлом, полагались на отдельные двигатели для подъема каждой из механических опор, в результате чего получались высокоэнергетические продукты, которые также были намного дороже в приобретении и, следовательно, нерентабельны для 3-D принтеров.
«Итак, если у вас есть 100 подвижных штифтов, а стоимость каждого двигателя составляет около 10 долларов, все это будет стоить 1000 долларов, в дополнение к 25 платам управления для управления 100 различными двигателями. Все это будет стоить более 10 000 долларов».
Новый прототип исследовательской группы работает, управляя каждой отдельной опорой от одного двигателя, который перемещает платформу. Платформа одновременно поднимает группы металлических штифтов, что делает ее экономически эффективным решением. Основываясь на конструкции продукта , программное обеспечение программы сообщит пользователю, где ему нужно добавить несколько металлических трубок в основание платформы. Затем положение этих трубок будет определять, какие штифты будут подниматься на определенную высоту, чтобы наилучшим образом поддерживать трехмерный печатный продукт, а также создавать наименьшие потери с печатных опор. По окончании процесса штифты легко снимаются, не повреждая изделие.
Чен сказал, что систему также можно легко адаптировать для крупномасштабного производства, например, в автомобильной, аэрокосмической и яхтенной отраслях.
«Люди уже создают FDM-принтеры для крупногабаритных кузовов автомобилей и кораблей, а также для потребительских товаров, таких как мебель. Как вы можете себе представить, время их изготовления действительно велико — мы говорим о целом дне», — сказал Чен. «Так что, если вы можете сэкономить половину этого, ваше время производства может быть сокращено до половины дня. Использование нашего подхода может принести много преимуществ для этого типа трехмерной печати ».
Чен сказал, что команда также недавно подала заявку на патент на новую технологию. Соавторами исследования выступили Зики Ван, ранее посещавший Университет Южной Калифорнии, из Школы компьютерных и коммуникационных наук EPFL в Швейцарии, и Сию Гун из Университета Калифорнии в Витерби.
