Tehnologija 3D ispisa, poznata i kao aditivna proizvodnja, donijela je istinsku revoluciju u načinu na koji osmišljavamo i stvaramo predmete, od jednostavnih prototipova do složenih komponenti za zrakoplovnu i medicinsku industriju. Ipak, unatoč nevjerojatnom napretku, postoji značajan jaz između onoga što računalo dizajnira i onoga što 3D pisač uistinu može proizvesti. Ta nepodudarnost između digitalnog nacrta i fizičkog proizvoda predstavlja jednu od najvećih prepreka za širu primjenu ove tehnologije u kritičnim sektorima gdje su preciznost i pouzdanost od presudne važnosti. Dizajni stvoreni naprednim algoritmima često premašuju stvarne mogućnosti proizvodnih uređaja, što rezultira dijelovima čije stvarne performanse odstupaju od očekivanih. Znanstvenici s Massachusetts Institute of Technology (MIT) sada su razvili inovativnu metodu koja bi mogla premostiti taj jaz, omogućujući softveru za dizajn da unaprijed uzme u obzir fizička ograničenja 3D pisača.

Problem na sučelju digitalnog i fizičkog svijeta

Tijekom posljednjeg desetljeća, spoj novih tehnologija dizajna i proizvodnje preoblikovao je industrije poput zrakoplovne, automobilske i biomedicinskog inženjeringa. U tim područjima, materijali moraju zadovoljiti iznimno stroge kriterije, kao što su specifični omjeri čvrstoće i težine te drugi pragovi performansi. 3D ispis se istaknuo kao tehnologija koja omogućuje izradu dijelova s do sada nezamislivim unutarnjim strukturama, otvarajući vrata lakšim, jačim i funkcionalnijim komponentama. Jedna od najnaprednijih računskih tehnika dizajna koja se koristi u tu svrhu je topološka optimizacija.

Topološka optimizacija je algoritamski proces koji, unutar zadanog prostora, optimalno raspoređuje materijal kako bi se postigle željene karakteristike – na primjer, maksimalna krutost uz minimalnu masu. Rezultati su često organske, naizgled nasumične strukture koje podsjećaju na prirodne oblike poput kostiju ili staničnih mreža, a koje su znatno učinkovitije od onih dizajniranih tradicionalnim metodama. Koristi se za dizajniranje materijala s optimiziranom krutošću, čvrstoćom, maksimalnom apsorpcijom energije, fluidnom propusnošću i mnogim drugim svojstvima. Međutim, upravo ta složenost i finoća detalja koje topološka optimizacija generira predstavljaju izazov za 3D pisače. Problem leži u fizičkim ograničenjima samog procesa ispisa. Jedno od ključnih ograničenja je veličina ispisne glave, odnosno mlaznice koja istiskuje materijal. Ako algoritam, primjerice, specificira sloj debljine 0.5 milimetara, a mlaznica pisača može fizički istisnuti samo sloj od minimalno 1 milimetra, konačni proizvod bit će deformiran i neprecizan. Ta razlika između digitalne upute i fizičke realizacije dovodi do neočekivanih varijacija u masi i gustoći, što izravno utječe na mehanička svojstva dijela.

Anizotropija: Skrivena slabost 3D ispisa

Drugi fundamentalni problem proizlazi iz samog načina na koji 3D pisači grade objekte – sloj po sloj. Ispisna glava se kreće po radnoj površini, istiskujući tanku nit rastaljenog materijala. Svaki novi sloj nanosi se na prethodni, koji se u međuvremenu već počeo hladiti. Zbog toga veza između pojedinih slojeva nije savršena kao što je materijal unutar samog sloja. Ta pojava, poznata kao anizotropija, znači da mehanička svojstva objekta ovise o smjeru djelovanja sile. Dio će biti znatno jači u smjeru u kojem je materijal tiskan (duž linija ispisa), ali osjetno slabiji okomito na slojeve, na mjestima gdje su se slojevi spajali. To stvara potencijalne točke slabosti gdje može doći do raslojavanja ili loma pod opterećenjem, čak i ako je opterećenje znatno manje od onog koje bi materijal teoretski trebao izdržati. Upravo je ta nepodudarnost između očekivanih i stvarnih svojstava materijala bila u fokusu istraživačkog tima s MIT-a.

„Ako se ta ograničenja ne uzmu u obzir, pisači mogu nanijeti ili previše ili premalo materijala, pa vaš dio postaje teži ili lakši od predviđenog. To također može dovesti do značajnog precjenjivanja ili podcjenjivanja performansi materijala“, objašnjava Josephine Carstensen, izvanredna profesorica na Odsjeku za građevinarstvo i okoliš te voditeljica istraživanja. „S našom tehnikom, znate što dobivate u smislu performansi jer se numerički model i eksperimentalni rezultati vrlo dobro podudaraju.“ Istraživanje je detaljno opisano u znanstvenom časopisu Materials and Design, u radu čiji su autori Carstensen i doktorand Hajin Kim-Tackowiak.

Inovativni pristup: Ugradnja nesavršenosti u sam dizajn

Umjesto da pokušavaju modificirati hardver pisača, istraživači su se odlučili za elegantnije rješenje: "naučiti" softver za dizajn o nesavršenostima proizvodnog procesa. „Shvatili smo da su nam ta ograničenja poznata od samog početka, a znanstveno polje je postalo bolje u njihovom kvantificiranju. Stoga smo zaključili da bismo mogli dizajnirati imajući ih na umu od samog početka“, kaže Kim-Tackowiak. U prethodnom radu, profesorica Carstensen razvila je algoritam koji je u proces dizajna grednih struktura ugrađivao informaciju o veličini mlaznice pisača. U ovom su istraživanju nadogradili taj pristup kako bi uključili i smjer kretanja ispisne glave te posljedični utjecaj slabog vezivanja među slojevima. Također su prilagodili metodu za rad sa složenijim, poroznim strukturama koje mogu imati izrazito elastična svojstva.

Njihov pristup omogućuje korisnicima da u algoritme za dizajn dodaju varijable koje precizno uzimaju u obzir centar niti materijala koji se istiskuje iz mlaznice te točnu lokaciju slabijih veza između slojeva. Ono što je ključno, pristup automatski diktira i optimalnu putanju kojom bi se ispisna glava trebala kretati tijekom proizvodnje kako bi se negativni efekti minimizirali. Na taj način, softver ne stvara idealizirani dizajn, već optimizirani nacrt koji je već prilagođen stvarnim mogućnostima i manama određenog 3D pisača.

Potvrda kroz eksperimente i stvarni rezultati

Kako bi testirali svoju tehniku, istraživači su je iskoristili za stvaranje niza ponavljajućih 2D dizajna s različitim veličinama šupljih pora, odnosno različitim gustoćama. Te su uzorke zatim usporedili s materijalima jednakih gustoća, ali izrađenim pomoću tradicionalnih metoda topološke optimizacije koje ne uzimaju u obzir ograničenja pisača. Rezultati testiranja bili su nedvosmisleni. Materijali dizajnirani tradicionalnim metodama značajno su odstupali od svojih predviđenih mehaničkih performansi, posebice kod gustoća materijala ispod 70%. S druge strane, materijali dizajnirani novom tehnikom MIT tima pokazali su performanse koje su bile znatno bliže onima predviđenim u računalnom modelu. Istraživači su također utvrdili da su konvencionalni dizajni tijekom izrade dosljedno nanosili višak materijala, čineći dijelove težima i manje učinkovitima. Sveukupno, pristup MIT-jevih znanstvenika rezultirao je dijelovima s pouzdanijim i predvidljivijim performansama pri većini testiranih gustoća.

„Jedan od izazova topološke optimizacije bio je taj što je potrebno mnogo stručnosti da bi se postigli dobri rezultati, tako da se materijali, nakon što prenesete dizajn s računala, ponašaju onako kako ste zamislili“, ističe Carstensen. „Mi pokušavamo olakšati dobivanje ovih proizvoda visoke vjernosti.“ Ovaj napredak mogao bi demokratizirati korištenje naprednih tehnika dizajna, smanjujući ovisnost o iskusnim stručnjacima za 3D ispis koji su do sada morali ručno intervenirati i prilagođavati dizajne kako bi kompenzirali ograničenja strojeva.

Budućnost dizajna i proizvodnje

Istraživači vjeruju da je ovo prvi put da je neka tehnika dizajna istovremeno uzela u obzir i veličinu ispisne glave i problem slabog vezivanja među slojevima. „Kada nešto dizajnirate, trebali biste koristiti što je više moguće konteksta“, naglašava Kim-Tackowiak. „Bilo je zadovoljstvo vidjeti da unošenje više konteksta u proces dizajna čini vaše konačne materijale preciznijima. To znači da ima manje iznenađenja. Pogotovo kada ulažemo sve više računalnih resursa u ove dizajne, lijepo je vidjeti da možemo povezati ono što izlazi iz računala s onim što izlazi iz proizvodnog procesa.“

U budućem radu, tim se nada poboljšati svoju metodu za materijale veće gustoće te za različite vrste materijala poput cementa i keramike, koji donose vlastite specifične izazove pri ispisu. Unatoč tome, ističu da njihov pristup već sada nudi značajno poboljšanje u odnosu na postojeće tehnike. Znanstvenici kažu da ovaj rad otvara put dizajniranju s većim brojem materijala. „Željeli bismo da ovo omogući korištenje materijala koje su ljudi zanemarivali jer je ispis s njima dovodio do problema“, zaključuje Kim-Tackowiak. „Sada možemo iskoristiti ta svojstva ili raditi s tim 'mušicama' umjesto da jednostavno ne koristimo sve opcije materijala koje su nam na raspolaganju.“ Ova inovacija ne samo da poboljšava pouzdanost 3D ispisa, već obećava otključavanje punog potencijala aditivne proizvodnje, omogućujući stvaranje nove generacije materijala i proizvoda s performansama koje su do sada bile ostvarive samo u teoriji.