El método de impresión 3D híbrido aumenta la resistencia de las piezas ecológicas con menos plástico

La impresión 3D ha recorrido un largo camino desde su invención en 1983 por Chuck Hull, quien fue pionera en la estereolitografía, una técnica que solidifica la resina líquida en objetos sólidos que utilizan láseres ultravioleta.

A lo largo de las décadas, las impresoras 3D han evolucionado desde curiosidades experimentales hasta herramientas capaces de producir todo, desde prótesis personalizadas hasta diseños de alimentos complejos, modelos arquitectónicos e incluso órganos humanos en funcionamiento.

Pero a medida que la tecnología madura, su huella ambiental se ha vuelto cada vez más difícil de reservar. La gran mayoría de la impresión 3D de consumo e industrial todavía se basa en el filamento de plástico a base de petróleo. Y aunque existen alternativas «más verdes» hechas de materiales biodegradables o reciclados, vienen con una compensación seria: a menudo no son tan fuertes.

Estos filamentos ecológicos tienden a ser frágiles bajo estrés, haciéndolos mal trajes para aplicaciones estructurales o piezas de carga, exactamente donde la fuerza es más importante.

Esta compensación entre la sostenibilidad y el rendimiento mecánico llevó a los investigadores del Laboratorio de Informática e Inteligencia Artificial del MIT (CSAIL) y al Instituto Hasso Plattner a preguntar: ¿Es posible construir objetos que sean en su mayoría ecológicos, pero aún así fuertes?

Su respuesta es Sostenimientoun nuevo conjunto de herramientas de software y hardware diseñado para ayudar a los usuarios a combinar estratégicamente filamentos fuertes y débiles para obtener lo mejor de ambos mundos.

En lugar de imprimir un objeto completo con plástico de alto rendimiento, el sistema analiza un modelo a través de simulaciones de análisis de elementos finitos, predice dónde es más probable que el objeto experimente estrés y luego refuerza solo esas zonas con material más fuerte. El resto de la pieza se puede imprimir utilizando filamento más verde y más débil, reduciendo el uso de plástico al tiempo que preserva la integridad estructural.

«Nuestra esperanza es que SustainAprint pueda usarse en entornos de fabricación industrial y distribuido algún día, donde las existencias de materiales locales pueden variar en calidad y composición», dice MIT Ph.D. estudiante e investigadora de CSAIL Maxine Perroni-farf, quien es autora principal en un Documento que presenta el proyecto.

«En estos contextos, el conjunto de herramientas de prueba podría ayudar a garantizar la confiabilidad de los filamentos disponibles, mientras que la estrategia de refuerzo del software podría reducir el consumo general de material sin sacrificar la función».

Para sus experimentos, el equipo usó el PLA Polyterra de PolyMaker como el filamento ecológico y el PLA estándar o difícil de Ultimaker para el refuerzo. Usaron un umbral de refuerzo del 20% para demostrar que incluso una pequeña cantidad de plástico fuerte es muy útil. Utilizando esta relación, Sustainaprint pudo recuperar hasta el 70% de la fuerza de un objeto impreso por completo con plástico de alto rendimiento.

Imprimieron docenas de objetos, desde formas mecánicas simples como anillos y vigas hasta artículos domésticos más funcionales, como soportes para auriculares, ganchos de pared y macetas de plantas.

Cada objeto se imprimió de tres maneras: una vez que usaba solo filamento ecológico, una vez que usa solo PLA fuerte, y una vez con la configuración Hybrid Sustainaprint. Las piezas impresas se probaron mecánicamente tirando, doblando o de otra manera rompiéndolas para medir cuánta fuerza podría resistir cada configuración.

En muchos casos, las impresiones híbridas se mantuvieron casi tan bien como las versiones de fuerza completa. Por ejemplo, en una prueba que involucra una forma similar a una cúpula, la versión híbrida superó la versión impresa por completo en PLA difícil. El equipo cree que esto puede deberse a la capacidad de la versión reforzada para distribuir el estrés de manera más uniforme, evitando la falla frágil a veces causada por una rigidez excesiva.

«Esto indica que en ciertas geometrías y condiciones de carga, la mezcla de materiales estratégicamente puede superar a un solo material homogéneo», dice Perroni-Charf.

«Es un recordatorio de que el comportamiento mecánico del mundo real está lleno de complejidad, especialmente en la impresión 3D, donde la adhesión entre capas y las decisiones de la ruta de la herramienta pueden afectar el rendimiento de maneras inesperadas».

Una máquina de impresión delgada, verde y ecológica

Sustainaprint comienza dejando que un usuario cargue su modelo 3D en una interfaz personalizada. Al seleccionar regiones y áreas fijas donde se aplicarán las fuerzas, el software utiliza un enfoque llamado «análisis de elementos finitos» para simular cómo el objeto se deformará bajo estrés.

Luego crea un mapa que muestra la distribución de presión dentro de la estructura, resaltando áreas bajo compresión o tensión, y aplica heurística para segmentar el objeto en dos categorías: aquellas que necesitan refuerzo y las que no lo hacen.

Reconociendo la necesidad de pruebas accesibles y de bajo costo, el equipo también desarrolló un kit de herramientas de prueba de bricolaje para ayudar a los usuarios a evaluar la fuerza antes de imprimir. El kit tiene un dispositivo impreso en 3D con módulos para medir tanto la resistencia a la tracción como a la flexión. Los usuarios pueden emparejar el dispositivo con elementos comunes como barras de pull-up o escalas digitales para obtener métricas de rendimiento difíciles pero confiables.

El equipo comparó sus resultados contra los datos del fabricante y descubrió que sus mediciones cayeron consistentemente dentro de una desviación estándar, incluso para los filamentos que habían sufrido múltiples ciclos de reciclaje.

Aunque el sistema actual está diseñado para impresoras de doble extrusión, los investigadores creen que con algún intercambio manual de filamentos y calibración, también podría adaptarse para configuraciones de un solo ejemplo.

En su forma actual, el sistema simplifica el proceso de modelado al permitir una sola fuerza y ​​un límite fijo por simulación. Si bien esto cubre una amplia gama de casos de uso comunes, el equipo ve un trabajo futuro expandiendo el software para admitir condiciones de carga más complejas y dinámicas.

El equipo también ve el potencial en el uso de AI para inferir el uso previsto del objeto en función de su geometría, lo que podría permitir un modelado de estrés completamente automatizado sin entrada manual de fuerzas o límites.

3D gratis

Los investigadores planean lanzar SustaeSaprint Open-Source, haciendo que tanto el software como el kit de herramientas de prueba estén disponibles para uso público y modificación. Otra iniciativa que aspiran a dar vida en el futuro: la educación.

«En un salón de clases, SustainAprint no es solo una herramienta, es una forma de enseñar a los estudiantes sobre ciencia de materiales, ingeniería estructural y diseño sostenible, todo en un proyecto», dice Perroni-Charf. «Convierte estos conceptos abstractos en algo tangible».

A medida que la impresión 3D se integra más en la forma en que fabricamos y prototipos de todo, desde bienes de consumo hasta equipos de emergencia, las preocupaciones de sostenibilidad solo crecerán. Con herramientas como SosteStintRint, esas preocupaciones ya no necesitan venir a expensas del rendimiento. En cambio, pueden convertirse en parte del proceso de diseño: integrado en la misma geometría de las cosas que hacemos.

El coautor Patrick Baudisch, profesor en el Instituto Hasso Plattner, agrega que «el proyecto aborda una pregunta clave: ¿Cuál es el punto de recopilar material para reciclar el reciclaje, cuando no hay plan para usar esa idea?

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, la innovación y la enseñanza.