Pencetakan 3D telah berjalan jauh sejak penemuannya pada tahun 1983 oleh Chuck Hull, yang memelopori stereolithography, sebuah teknik yang memperkuat resin cair menjadi benda padat menggunakan laser ultraviolet. Selama beberapa dekade, printer 3D telah berevolusi dari keingintahuan eksperimental menjadi alat yang mampu menghasilkan segala sesuatu mulai dari prosthetics khusus hingga desain makanan yang kompleks, model arsitektur, dan bahkan organ manusia yang berfungsi.
Tetapi ketika teknologi matang, jejak lingkungannya menjadi semakin sulit untuk dikesampingkan. Sebagian besar pencetakan 3D konsumen dan industri masih bergantung pada filamen plastik berbasis minyak bumi. Dan sementara alternatif “lebih hijau” yang terbuat dari bahan yang dapat terurai secara hayati atau daur ulang, mereka datang dengan pertukaran yang serius: mereka sering tidak sekuat. Filamen ramah lingkungan ini cenderung menjadi rapuh di bawah tekanan, menjadikannya tidak cocok untuk aplikasi struktural atau bagian yang mengandung beban-persis di mana kekuatan paling penting.
Pertukaran antara keberlanjutan dan kinerja mekanis ini mendorong para peneliti di Ilmu Komputer MIT dan Laboratorium Intelijen Buatan (CSAIL) dan Hasso Plattner Institute untuk bertanya: Apakah mungkin untuk membangun objek yang sebagian besar ramah lingkungan, tetapi masih kuat di mana ia diperhitungkan?
Jawaban mereka adalah SustainAprint, perangkat lunak dan perangkat keras baru yang dirancang untuk membantu pengguna secara strategis menggabungkan filamen yang kuat dan lemah untuk mendapatkan yang terbaik dari kedua dunia. Alih-alih mencetak seluruh objek dengan plastik berkinerja tinggi, sistem menganalisis model melalui simulasi analisis elemen hingga, memprediksi di mana objek tersebut kemungkinan besar mengalami stres, dan kemudian memperkuat zona-zona tersebut dengan bahan yang lebih kuat. Sisa bagian dapat dicetak menggunakan filamen yang lebih hijau dan lebih lemah, mengurangi penggunaan plastik sambil menjaga integritas struktural.
“Harapan kami adalah bahwa SustainAprint dapat digunakan dalam pengaturan manufaktur industri dan terdistribusi suatu hari nanti, di mana stok material lokal dapat bervariasi dalam kualitas dan komposisi,” kata mahasiswa PhD MIT dan peneliti CSAIL Maxine Perroni-Sccharf, yang merupakan penulis utama pada makalah yang mempresentasikan proyek tersebut. “Dalam konteks ini, toolkit pengujian dapat membantu memastikan keandalan filamen yang tersedia, sementara strategi penguatan perangkat lunak dapat mengurangi konsumsi material secara keseluruhan tanpa mengorbankan fungsi.”
Untuk percobaan mereka, tim menggunakan Polymaker Polyterra PLA sebagai filamen ramah lingkungan, dan PLA standar atau tangguh dari Ultimaker untuk penguatan. Mereka menggunakan ambang penguatan 20 persen untuk menunjukkan bahwa bahkan sejumlah kecil plastik kuat pun berjalan jauh. Dengan menggunakan rasio ini, SustainAprint mampu memulihkan hingga 70 persen dari kekuatan objek yang dicetak sepenuhnya dengan plastik berkinerja tinggi.
Mereka mencetak puluhan objek, dari bentuk mekanis sederhana seperti cincin dan balok hingga barang -barang rumah tangga yang lebih fungsional seperti dudukan headphone, kait dinding, dan pot tanaman. Setiap objek dicetak tiga cara: sekali hanya menggunakan filamen ramah lingkungan, sekali hanya menggunakan PLA yang kuat, dan sekali dengan konfigurasi Hybrid SustainAprint. Bagian yang dicetak kemudian diuji secara mekanis dengan menarik, membungkuk, atau memecahkannya untuk mengukur berapa banyak kekuatan yang dapat ditahan oleh setiap konfigurasi.
Dalam banyak kasus, cetakan hibrida bertahan hampir serta versi kekuatan penuh. Misalnya, dalam satu tes yang melibatkan bentuk seperti kubah, versi hybrid mengungguli versi yang dicetak sepenuhnya dalam PLA yang tangguh. Tim percaya ini mungkin karena kemampuan versi yang diperkuat untuk mendistribusikan stres secara lebih merata, menghindari kegagalan rapuh yang terkadang disebabkan oleh kekakuan yang berlebihan.
“Ini menunjukkan bahwa dalam geometri tertentu dan kondisi pemuatan, mencampur bahan secara strategis sebenarnya dapat mengungguli satu bahan homogen tunggal,” kata Perroni-Sccharf. “Ini adalah pengingat bahwa perilaku mekanis dunia nyata penuh dengan kompleksitas, terutama dalam pencetakan 3D, di mana adhesi interlayer dan keputusan jalur pahat dapat memengaruhi kinerja dengan cara yang tidak terduga.”
Mesin cetak yang ramping, hijau, ramah lingkungan
SustainAprint dimulai dengan membiarkan pengguna mengunggah model 3D mereka ke antarmuka khusus. Dengan memilih daerah dan area tetap di mana kekuatan akan diterapkan, perangkat lunak kemudian menggunakan pendekatan yang disebut “analisis elemen hingga” untuk mensimulasikan bagaimana objek akan berubah bentuk di bawah tekanan. Kemudian menciptakan peta yang menunjukkan distribusi tekanan di dalam struktur, menyoroti area di bawah kompresi atau ketegangan, dan menerapkan heuristik untuk membagi objek menjadi dua kategori: mereka yang membutuhkan penguatan, dan yang tidak.
Menyadari perlunya pengujian yang dapat diakses dan berbiaya rendah, tim juga mengembangkan toolkit pengujian DIY untuk membantu pengguna menilai kekuatan sebelum dicetak. Kit ini memiliki perangkat yang dapat dicetak 3D dengan modul untuk mengukur kekuatan tarik dan lentur. Pengguna dapat memasangkan perangkat dengan item umum seperti bar pull-up atau skala digital untuk mendapatkan metrik kinerja yang kasar, tetapi andal. Tim membandingkan hasil mereka terhadap data pabrikan dan menemukan bahwa pengukuran mereka secara konsisten termasuk dalam satu standar deviasi, bahkan untuk filamen yang telah mengalami beberapa siklus daur ulang.
Meskipun sistem saat ini dirancang untuk printer dual-ekstrusi, para peneliti percaya bahwa dengan beberapa pertukaran dan kalibrasi filamen manual, itu dapat disesuaikan untuk pengaturan ekstruder tunggal juga. Dalam bentuk saat ini, sistem menyederhanakan proses pemodelan dengan memungkinkan hanya satu gaya dan satu batas tetap per simulasi. Sementara ini mencakup berbagai kasus penggunaan umum, tim melihat pekerjaan di masa depan memperluas perangkat lunak untuk mendukung kondisi pemuatan yang lebih kompleks dan dinamis. Tim juga melihat potensi dalam menggunakan AI untuk menyimpulkan penggunaan objek yang dimaksudkan berdasarkan geometri, yang dapat memungkinkan pemodelan stres sepenuhnya otomatis tanpa input kekuatan atau batas manual.
3D gratis
Para peneliti berencana untuk melepaskan sumber terbuka SustainAprint, membuat perangkat lunak dan alat pengujian tersedia untuk penggunaan dan modifikasi publik. Inisiatif lain yang mereka cita -citakan untuk hidup di masa depan: Pendidikan. “Di ruang kelas, SustainAprint bukan hanya alat, ini adalah cara untuk mengajar siswa tentang sains material, teknik struktural, dan desain berkelanjutan, semua dalam satu proyek,” kata Perroni-Sccharf. “Ini mengubah konsep abstrak ini menjadi sesuatu yang nyata.”
Karena pencetakan 3D menjadi lebih tertanam dalam cara kami memproduksi dan membuat prototipe segala sesuatu mulai dari barang konsumen hingga peralatan darurat, masalah keberlanjutan hanya akan tumbuh. Dengan alat -alat seperti SustainAprint, kekhawatiran itu tidak perlu lagi datang dengan mengorbankan kinerja. Sebaliknya, mereka dapat menjadi bagian dari proses desain: dibangun ke dalam geometri hal -hal yang kami buat.
Co-author Patrick Baudisch, who is a professor at the Hasso Plattner Institute, adds that “the project addresses a key question: What is the point of collecting material for the purpose of recycling, when there is no plan to actually ever use that material? Maxine presents the missing link between the theoretical/abstract idea of 3D printing material recycling and what it actually takes to make this idea relevant.”
Perroni-Sccharf dan Baudisch menulis makalah dengan asisten peneliti CSAIL Jennifer Xiao; MIT Departemen Teknik Elektro dan Siswa Master Ilmu Komputer Cole Paulin ’24; Mahasiswa Master Ray Wang SM ’25 dan mahasiswa PhD Ticha Sethapakdi SM ’19 (keduanya anggota CSAIL); Hasso Plattner Institute PhD Mahasiswa Muhammad Abdullah; dan Associate Professor Stefanie Mueller, memimpin kelompok teknik interaksi manusia-komputer di CSAIL.
Pekerjaan para peneliti didukung oleh perancangan untuk hibah keberlanjutan dari perancangan untuk program penelitian MIT-HPI keberlanjutan. Pekerjaan mereka akan disajikan pada Simposium ACM tentang Perangkat Lunak dan Teknologi Antarmuka Pengguna pada bulan September.
