L'impression 3D a parcouru un long chemin depuis son invention en 1983 par Chuck Hull, qui a été le pionnier de la stéréolithographie, une technique qui solidifie la résine liquide dans des objets solides à l'aide de lasers ultraviolets.
Au fil des décennies, les imprimantes 3D sont passées de la curiosité expérimentale à des outils capables de tout produire, des prothèses personnalisées aux conceptions alimentaires complexes, aux modèles architecturaux et même aux organes humains qui fonctionnent.
Mais à mesure que la technologie mûrit, son empreinte environnementale est devenue de plus en plus difficile à réserver. La grande majorité de l'impression 3D de consommation et industrielle repose toujours sur le filament plastique à base de pétrole. Et bien que des alternatives «plus vertes» fabriquées à partir de matériaux biodégradables ou recyclés existent, ils sont livrés avec un compromis sérieux: ils ne sont souvent pas aussi forts.
Ces filaments respectueux de l'environnement ont tendance à devenir fragiles sous le stress, ce qui les rend mal adaptés aux applications structurelles ou aux pièces porteuses de charge – exact où la force est le plus importante.
Ce compromis entre la durabilité et la performance mécanique a incité les chercheurs au Laboratoire d'intelligence informatique et artificielle du MIT (CSAIL) et au Hasso Plattner Institute pour demander: est-il possible de construire des objets qui sont principalement respectueux de l'environnement, mais toujours forts là où il compte?
Leur réponse est Sustainaprint, une nouvelle boîte à outils logiciels et matériel conçue pour aider les utilisateurs à combiner stratégiquement des filaments forts et faibles pour tirer le meilleur parti des deux mondes.
Au lieu d'imprimer un objet entier avec du plastique haute performance, le système analyse un modèle à travers des simulations d'analyse par éléments finis, prédit où l'objet est le plus susceptible de ressentir du stress, puis renforce uniquement les zones avec un matériau plus fort. Le reste de la pièce peut être imprimé à l'aide de filament plus vert et plus faible, réduisant l'utilisation du plastique tout en préservant l'intégrité structurelle.
« Notre espoir est que le duraprint peut être utilisé un jour dans les paramètres de fabrication industriels et distribués, où les stocks de matériel local peuvent varier en qualité et en composition », explique le Ph.D. du MIT. L'étudiant et chercheur de CSAIL, Maxine Perroni-Scharf, qui est un auteur principal sur un article présentant le projet.
« Dans ces contextes, la boîte à outils de test pourrait aider à assurer la fiabilité des filaments disponibles, tandis que la stratégie de renforcement du logiciel pourrait réduire la consommation globale de matériaux sans sacrifier la fonction. »
Pour leurs expériences, l'équipe a utilisé le Polyterra PLA de polymaker comme filament respectueuse de l'environnement, et PLA standard ou résistant de Ultimaker pour le renforcement. Ils ont utilisé un seuil de renforcement de 20% pour montrer que même une petite quantité de plastique fort va très loin. En utilisant ce ratio, Sustainaprint a pu récupérer jusqu'à 70% de la force d'un objet entièrement imprimé avec du plastique haute performance.
Ils ont imprimé des dizaines d'objets, des simples formes mécaniques comme les anneaux et les poutres à des articles ménagers plus fonctionnels tels que les supports de casque, les crochets muraux et les pots de plantes.
Chaque objet a été imprimé de trois manières: une fois en utilisant uniquement un filament respectueux de l'environnement, une fois en utilisant uniquement un PLA fort, et une fois avec la configuration de la main-d'œuvre hybride. Les pièces imprimées ont ensuite été testées mécaniquement en tirant, en les pliant ou en les cassant autrement pour mesurer la force que chaque configuration pourrait résister.
Dans de nombreux cas, les imprimés hybrides ont maintenu presque ainsi que les versions complètes. Par exemple, dans un test impliquant une forme de dôme, la version hybride a surpassé la version imprimée entièrement en PLA difficile. L'équipe estime que cela peut être dû à la capacité de la version renforcée à distribuer plus uniformément le stress, évitant la défaillance fragile parfois causée par une rigidité excessive.
« Cela indique que dans certaines géométries et conditions de chargement, les matériaux de mélange stratégiquement peuvent en fait surpasser un seul matériau homogène », explique Perroni-Scharf.
« C'est un rappel que le comportement mécanique du monde réel est plein de complexité, en particulier dans l'impression 3D, où l'adhésion intercouche et les décisions de chemin d'outil peuvent affecter les performances de manière inattendue. »
Une machine d'impression maigre, verte et respectueuse de l'environnement
Sustainaprint commence par laisser un utilisateur télécharger son modèle 3D dans une interface personnalisée. En sélectionnant des régions et des zones fixes où les forces seront appliquées, le logiciel utilise ensuite une approche appelée « analyse d'éléments finis » pour simuler comment l'objet se déformera sous contrainte.
Il crée ensuite une carte montrant la distribution de la pression à l'intérieur de la structure, mettant en évidence les zones sous compression ou tension, et applique une heuristique pour segmenter l'objet en deux catégories: celles qui ont besoin de renforcement, et celles qui ne le font pas.
Reconnaissant le besoin de tests accessibles et à faible coût, l'équipe a également développé une boîte à outils de test de bricolage pour aider les utilisateurs à évaluer la force avant d'imprimer. Le kit a un appareil imprimée 3D avec des modules pour mesurer à la fois la traction et la résistance à la flexion. Les utilisateurs peuvent associer l'appareil à des éléments communs comme les barres de traction ou les échelles numériques pour obtenir des mesures de performances rugueuses, mais fiables.
L'équipe a comparé leurs résultats contre les données du fabricant et a constaté que leurs mesures se situaient régulièrement dans un écart-type, même pour les filaments qui avaient subi plusieurs cycles de recyclage.
Bien que le système actuel soit conçu pour les imprimantes à double extrusion, les chercheurs croient qu'avec un échange de filaments et un étalonnage manuels, il pourrait également être adapté pour les configurations à une seule gamme.
Dans sa forme actuelle, le système simplifie le processus de modélisation en permettant une seule force et une limite fixe par simulation. Bien que cela couvre un large éventail de cas d'utilisation courants, l'équipe voit les travaux futurs étendre le logiciel pour prendre en charge des conditions de chargement plus complexes et dynamiques.
L'équipe voit également le potentiel de l'utilisation de l'IA pour déduire l'utilisation prévue de l'objet en fonction de sa géométrie, ce qui pourrait permettre une modélisation de contraintes entièrement automatisée sans entrée manuelle de forces ou de limites.
3d gratuitement
Les chercheurs prévoient de publier la source ouverte de SustainAprint, ce qui rend la boîte à outils logicielle et les tests disponible pour l'utilisation et la modification du public. Une autre initiative qu'ils aspirent à donner vie à l'avenir: l'éducation.
« Dans une salle de classe, Sustainaprint n'est pas seulement un outil, c'est une façon d'enseigner aux étudiants les sciences matérielles, l'ingénierie structurelle et la conception durable, tout dans un seul projet », explique Perroni-Scharf. « Cela transforme ces concepts abstraits en quelque chose de tangible. »
À mesure que l'impression 3D devient plus intégrée dans la façon dont nous fabriquons et prototypent tout, des biens de consommation aux équipements d'urgence, les préoccupations de durabilité ne feront que croître. Avec des outils comme Sustainaprint, ces préoccupations n'ont plus besoin de se faire au détriment des performances. Au lieu de cela, ils peuvent faire partie du processus de conception: intégré à la géométrie même des choses que nous faisons.
Le co-auteur Patrick Baudisch, qui est professeur au Hasso Plattner Institute, ajoute que « le projet aborde une question clé: quel est l'intérêt de collecter du matériel dans le but du recyclage, lorsqu'il n'est pas prévu d'utiliser ce matériel? Maxine présente le lien manquant entre l'idée théorique / abstraite du recyclage des matériaux 3D et de ce qu'il faut réellement pour rendre cette idée théorique.
