I ricercatori del MIT CSAIL hanno sviluppato SustainaPrint, un sistema che rinforza solo le zone più deboli delle stampe 3D, combinando strategicamente filamenti resistenti e deboli.
Gli ingegneri del MIT CSAIL hanno sviluppato SustainaPrint, un sistema che rinforza solo le zone più deboli delle stampe 3D, ottenendo risultati eccellenti con meno plastica. Invece di stampare un intero oggetto con plastica ad alte prestazioni, il sistema analizza un modello, prevede dove l’oggetto è più soggetto a sollecitazioni e rinforza quelle zone con materiale più resistente.
La stragrande maggioranza della stampa 3D, sia consumer che industriale, si basa ancora su filamenti plastici derivati dal petrolio. Le alternative più sostenibili realizzate con materiali biodegradabili o riciclati spesso non sono altrettanto resistenti. Questi filamenti ecocompatibili tendono a diventare fragili sotto stress, quindi risultano inadatti ad applicazioni strutturali o per componenti portanti, proprio dove la resistenza è più importante. Questo compromesso tra sostenibilità e prestazioni meccaniche ha spinto i ricercatori del Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL) del MIT e dell’Hasso Plattner Institute a chiedersi: è possibile costruire oggetti che siano più ecocompatibili ma resistenti dove serve?
La risposta del MIT è SustainaPrint, un nuovo kit di strumenti software e hardware progettato per aiutare gli utenti a combinare strategicamente filamenti resistenti e deboli per ottenere il meglio da entrambi i mondi. Invece di stampare un intero oggetto con plastica ad alte prestazioni, il sistema analizza un modello attraverso simulazioni di analisi agli elementi finiti, prevede le aree in cui l’oggetto è più soggetto a sollecitazioni e quindi rinforza solo quelle zone con un materiale più resistente. Il resto del componente può essere stampato utilizzando un filamento più ecologico e più resistente, riducendo l’uso di plastica e preservando l’integrità strutturale: “La nostra speranza è che SustainaPrint possa un giorno essere utilizzato in contesti di produzione industriale e distribuita, dove le scorte locali di materiali possono variare in termini di qualità e composizione” afferma Maxine Perroni-Scharf, dottoranda del MIT e ricercatrice CSAIL, autrice principale di un articolo che presenta il progetto.
Per i loro esperimenti, i ricercatori del MIT hanno utilizzato il PLA PolyTerra di Polymaker come filamento ecologico e il PLA standard o Tough di Ultimaker come rinforzo. Hanno utilizzato una soglia di rinforzo del 20 percento per dimostrare che anche una piccola quantità di plastica resistente può fare molto. Utilizzando questo rapporto, SustainaPrint è stata in grado di recuperare fino al 70 percento della resistenza di un oggetto stampato interamente con plastica ad alte prestazioni. Gli ingegneri del Massachusetts Institute of Technology stampato decine di oggetti, da semplici forme meccaniche come anelli e travi a oggetti domestici più funzionali come supporti per cuffie, ganci da parete e vasi per piante. Ogni oggetto è stato stampato in tre modi: una volta utilizzando solo filamento ecologico, una volta utilizzando solo PLA resistente e una volta con la configurazione ibrida SustainaPrint. Le parti stampate sono state quindi testate meccanicamente tirandole, piegandole o rompendole in altro modo per misurare la forza che ciascuna configurazione poteva sopportare. In molti casi, le stampe ibride hanno resistito quasi quanto le versioni a piena resistenza: “Questo indica che in determinate geometrie e condizioni di carico, la miscelazione strategica dei materiali può effettivamente superare le prestazioni di un singolo materiale omogeneo. Ciò ci ricorda che il comportamento meccanico nel mondo reale è ricco di complessità, soprattutto nella stampa 3D, dove l’adesione tra gli strati e le decisioni sul percorso utensile possono influenzare le prestazioni in modi inaspettati spiega ” afferma Perroni-Scharf.
Una stampante ecologica
Innanzitutto SustainaPrint consente all’utente di caricare il proprio modello 3D in un’interfaccia personalizzata. Selezionando regioni fisse e aree in cui verranno applicate le forze, il software utilizza quindi un approccio chiamato “Analisi agli Elementi Finiti” per simulare la deformazione dell’oggetto sotto stress. Crea quindi una mappa che mostra la distribuzione della pressione all’interno della struttura, evidenziando le aree sottoposte a compressione o tensione e applica euristiche per segmentare l’oggetto in due categorie: quelli che necessitano di rinforzo e quelli che non ne hanno bisogno.
Riconoscendo la necessità di test accessibili e a basso costo, il team ha anche sviluppato un kit di test fai da te per aiutare gli utenti a valutare la resistenza prima della stampa. Il kit include un dispositivo stampabile in 3D con moduli per misurare sia la resistenza a trazione che a flessione. Gli utenti possono abbinare il dispositivo a strumenti comuni come barre per trazioni o bilance digitali per ottenere parametri di prestazione approssimativi ma affidabili. Il team del MIT ha confrontato i risultati con i dati del produttore e ha scoperto che le misurazioni rientravano costantemente in una deviazione standard, anche per filamenti sottoposti a più cicli di riciclo.
Un software 3D gratuito
I ricercatori del MIT intendono rilasciare SustainaPrint open source, rendendo sia il software che il toolkit di test disponibili per l’uso pubblico e la modifica. Un’altra iniziativa che aspirano a realizzare in futuro è la formazione. “In classe, SustainaPrint non è solo uno strumento, è un modo per insegnare agli studenti la scienza dei materiali, l’ingegneria strutturale e la progettazione sostenibile, tutto in un unico progetto. “Trasforma questi concetti astratti in qualcosa di tangibile” commenta Perroni-Scharf.
Man mano che la stampa 3D diventa sempre più integrata nella produzione, dai beni di consumo alle attrezzature di emergenza, le preoccupazioni in materia di sostenibilità non faranno che aumentare. Con strumenti come SustainaPrint, queste preoccupazioni non dovranno più andare a scapito delle prestazioni. Possono invece diventare parte del processo di progettazione: integrati nella geometria stessa degli oggetti che realizziamo.
Foto: Alex Shipps/MIT CSAIL, using assets from Pixabay and the researchers
