3D打印技术在许多领域革新产品设计和制造:从消费产品的定制部件,到3D打印的牙科产品,以及可以挽救生命的骨骼和医疗植入物。然而,这一过程也会造成大量昂贵和不可持续的浪费,而且需要很长时间,这使得3D打印难以大规模实施。


每次3D打印机生产定制对象时,特别是特殊形状的产品,它还需要打印支持,打印支架在打印机一层一层地创建对象时平衡对象,帮助保持其形状的完整性。然而,这些支撑在印刷后必须手动移除,这需要手工完成,可能会导致形状不准确或表面粗糙度。制作支架的材料通常不能重复使用,所以它们被丢弃,导致3D打印废料问题日益严重。

研究人员开发独特的3D打印平台 可降低成本减少浪费

一个新的用于3D打印(左)的动态控制基座将减少对打印支持(中心),减少浪费和节省时间的需求。


这是第一次,南加州大学维特比分校的Daniel J. Epstein工业和系统工程系的研究人员创造了一种低成本可重复使用的支持方法,以减少3D打印机打印这些浪费的支持,极大地提高了3D打印的成本效益和可持续性。


这项研究由工业与系统工程教授陈勇(Yong Chen)和博士生徐阳(Yang Xu)领导,已在《增材制造》(Additive Manufacturing)上发表。


传统的3D打印采用熔融沉积建模(FDM)技术,直接在静态金属表面逐层打印。而新的原型机使用了一种可编程的、动态控制的表面,由可移动的金属针制成,以取代印刷支架。当打印机逐步构建产品时,引脚上升。陈说,对新原型的测试表明,它可以节省大约35%的打印材料。


我和生物医学医生一起工作,他们使用生物材料进行3d打印来构建组织或器官,陈说,他们使用的很多材料都非常昂贵——我们说的是每瓶500到1000美元的小瓶子。

研究人员开发独特的3D打印平台 可降低成本减少浪费

对于标准的FDM打印机,材料成本大约是每公斤50美元,但对于生物打印,它更像是每克50美元。因此,如果我们能在用于打印这些支持材料的材料上节省30%,那么对于生物医学用途的3d打印来说,这将是一笔巨大的成本节省。


陈说,除了材料浪费对环境和成本的影响外,使用支架的传统3D打印工艺也很耗时。


当你在3D打印复杂的形状时,一半的时间是建造你需要的部件,另一半的时间是建造支撑。在这个系统中,我们不需要建造支撑。因此,在打印时间方面,我们节省了40%左右。


陈说,过去开发的类似原型依靠单个马达来支撑每个机械支架,导致产品能耗高,而且价格也贵得多,因此对3D打印机来说不划算。


所以,如果你有100个移动销,每个电机的成本大约是10美元,那么整件事就要1000美元,另外还要加上25个控制板来控制100个不同的电机。整件事要花一万多美元。


研究小组的新原型通过单个马达驱动每个支撑装置来移动平台。该平台同时升起多组金属销,是一种经济有效的解决方案。根据产品设计,该程序的软件会告诉用户,他们需要在平台的底部添加一系列金属管。这些管的位置将决定哪些引脚将提升到指定的高度,以最好地支持3d打印产品,同时也产生最少的打印支撑损耗。在这一过程的最后,可以很容易地移除插脚,而不会损坏产品。


陈说,该系统也可以很容易地适应大规模制造,如汽车、航空航天和游艇行业。


人们已经在为大型汽车和船舶机身以及家具等消费品制造FDM打印机。你可以想象,他们建造的时间真的很长,我们说的是一整天。所以如果你能节省一半,你的生产时间就可以减少到半天。使用我们的方法可以为这种3d打印带来很多好处。


陈说,该团队最近还为这项新技术申请了专利。这项研究是由来自瑞士EPFL计算机与通信科学学院的访问学生王子奇和来自维特比的龚思宇共同撰写的。


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