3D printen van metamaterialen

Stel je voor dat je een persoonlijk fietszadel wilt maken, maar dat de materialen waarover je beschikt ofwel te stijf zijn voor sommige delen van de billen ofwel te zacht voor andere... Om een product te maken dat uit verschillende onderdelen bestaat, elk met unieke eisen, moeten vaak verschillende materialen worden gebruikt. Innovaties op het gebied van 3D-printen brengen hier echter verandering in door het mogelijk te maken objecten te maken met ruimtelijke gradaties in oppervlakte- en volumetrische eigenschappen - functionally graded materials (FGM's). Deze gemanipuleerde metamaterialen gaan verder dan de eigenschappen die worden aangetroffen in natuurlijk voorkomende materialen. Voor zijn PhD onderzocht Tim Kuipers hoe het genereren van toolpaths -routes voor de output van machines zoals 3D printers- en een productietechniek genaamd fused filament fabrication (FFF) kan worden gebruikt om meer complexe objecten met variërende materiaaleigenschappen te maken.

Kritische gereedschapspaden

Bij 3D-printen heeft de toolpath een directe invloed op de printtijd, materiaalkosten, en mechanische eigenschappen van het geprinte object. Voor zijn promotie werkte Kuipers drie jaar als software engineer bij Ultimaker, een 3D printerfabrikant. Daar werkte hij aan algoritmes voor het genereren van toolpaths, ook wel slicing genoemd.

Deze software is een cruciaal onderdeel van het 3D-printproces en is verantwoordelijk voor het omzetten van een 3D-model in specifieke instructies voor de printer. "Normaal gesproken blijft software gewoon in een computer zitten, maar bij 3D-printen wordt het iets echts", zegt Kuipers. "Dat is wat me echt aantrok in 3D-printen."

Lees Tims thesis:

Thesis, titled "Toolpath Generation for Fused Filament Fabrication of Functionally Graded Materials"

De schoonheid van FGMs

Gefabriceerde functioneel gesorteerde materialen (FGMs) hebben een groot potentieel. In plaats van een homogeen blok materiaal bestaan FGMs uit een fijnschalige geometrische samenstelling van een of meer basismaterialen en kunnen zij uiteenlopende eigenschappen hebben, zoals kleur of stijfheid. Voor de fabricage van producten met FGMs zijn minder componenten en materialen nodig, omdat één materiaalcomponent in verschillende regio's verschillende eigenschappen kan hebben. Dit betekent dat je de prestaties van een product kunt verbeteren door de ruimtelijke gradatie van de materiaaleigenschappen in het product te optimaliseren. En de potentiële toepassingen voor FGMs zijn breed, bijvoorbeeld gepersonaliseerd schoeisel en medische apparatuur tot hele vliegtuigvleugels.

Waarom FFF?

Hoewel elke 3D-printmethode zijn eigen voordelen en beperkingen heeft, is Fused Filament Fabrication (FFF) de afgelopen decennia explosief in populariteit gestegen. Dit komt deels omdat het relatief low-tech (gemakkelijk te gebruiken) en minder duur is dan sommige andere methoden. Bij FFF wordt thermoplastisch materiaal door een verwarmde spuitmond geperst om laag voor laag objecten te maken.

Zoals Kuipers in zijn proefschrift uitlegt, wordt een 3D-model omgezet in toolpaths voor de 3D-printer, die de geometrie beschrijven van de lijnen die de spuitmond van de printer moet volgen. Maar er zijn verschillende productiebeperkingen waar je rekening mee moet houden in dit proces. Je moet bijvoorbeeld rekening houden met de maximale overhanghoek om te voorkomen dat er in de lucht wordt geprint, en je moet chemisch compatibele materialen gebruiken om te voorkomen dat een printopdracht met meerdere materialen tijdens het fabricageproces uit elkaar valt.

Verschillende perspectieven

Kuipers onderzocht vier verschillende perspectieven op hoe toolpaths kunnen worden gebruikt in FFF om FGM's te maken die enkele van de beperkingen aanpakten en tot innovatieve bijdragen leidden. De eerste cyclus van zijn onderzoek richtte zich op eigenschappen van het product zoals kleur (grijstinten) en oppervlakteruwheid. Vervolgens onderzocht hij hoe schuimen kunnen worden geprint met flexibel materiaal dat variërende dichtheden en stijfheid mogelijk maakt. Verder onderzocht hij het printen van structuren met chemisch incompatibele materialen en stelde hij een mechanisme voor om twee materialen in elkaar te laten grijpen met behulp van een herhalende rasterstructuur op het grensvlak tussen de twee lichamen.

Tenslotte werkte hij aan het genereren van toolpaths voor geometrie met variabele breedte en introduceerde hij een meer betrouwbare methode voor het printen van dunne geometrie met een ruimtelijk gegradeerde dikte. Dergelijke structuren kunnen gebruikt worden om FGM's te maken met een functioneel getrapte stijfheid. "Ik denk dat ik het meest trots ben op het feit dat dit raamwerk nu is geïntegreerd in de commerciële software Cura, een open-source slicer voor 3D-printen die niet alleen wordt gebruikt door Ultimaker, maar door een heleboel printers over de hele wereld", zei hij. "Er zijn potentieel miljoenen mensen die ik bereik met dit onderzoek, dus dat is echt cool."

Het grote plaatje

Als FFF-technologie kan worden gebruikt om FGM's te vervaardigen, zouden ontwerpers en onderzoekers met toegang tot dergelijke additieve fabricagesystemen volgens Kuipers complexere producten met betere prestaties kunnen ontwerpen. Tegelijkertijd betekent het gebruik van FFF-technologie dat FGM's tegen lagere kosten en met een breder scala aan materialen kunnen worden geproduceerd, waardoor een breder scala aan toepassingen kan worden ontsloten. Met andere woorden, de toekomst ziet er rooskleurig uit voor 3D-geprinte metamaterialen.

Plannen voor de toekomst

Na zijn PhD is Kuipers van plan om een sabbatical van een jaar te nemen om te reizen en na te denken over hoe de volgende fase van zijn leven eruit zal zien.

Charlie Wang

"Simple is beautiful."

Jun Wu

"Make things as simple as possible, but not simpler." - Albert Einstein