MIT与哈索·普拉特纳研究院联合开发的SustainaPrint是一种创新的3D打印系统，通过结合环保和高强度的材料来优化打印效果。该系统利用有限元分析技术，针对设计中的高应力区域进行强化，减少了材料使用同时保持结构稳定性。SustainaPrint适用于双挤出打印机，并且可以根据需要调整为单挤出设置。该技术不仅减少了材料浪费，还为工业和分布式制造提供了可靠的性能保障。研究团队还开发了一个DIY工具包，方便进行强度测试，支持教育和科研应用。SustainaPrint旨在推动可持续设计和材料科学的普及，未来将作为开源项目发布。
美国麻省理工学院（MIT）和德国哈索·普拉特纳研究院的研究人员开发了SustainaPrint，这是一种结合了环保和高强度丝材的3D打印系统。通过仅强化受最大应力影响的区域，该系统减少了材料的使用，同时保持了结构的稳定性。
这项工作得到了MIT-HPI可持续设计计划的支持，并将在2023年9月的ACM用户界面软件与技术研讨会上展示。
SustainaPrint：结合环保与高强度丝材的3D打印系统。图片来源：MIT。
解决3D打印中的挑战
尽管3D打印技术已有显著进展，但大多数打印机仍依赖石油基塑料，而可持续的丝材通常缺乏足够的强度来用于承载应用。SustainaPrint通过结合软件和硬件来优化材料的使用。利用有限元分析，系统可以识别设计中的高应力区域，并用耐用塑料进行加固，同时其余部分使用环保丝材打印。这种方法减少了材料消耗，却不妥协性能。
MIT博士生Maxine Perroni-Scharf解释道：“我们的希望是，SustainaPrint能够用于工业和分布式制造，其中本地材料的质量可能会有所不同。测试工具包确保丝材性能的可靠性，而软件则在不牺牲功能的情况下减少了整体材料使用。”
性能测试与应用
研究团队使用Polymaker的PolyTerra PLA作为可持续材料，和Ultimaker的标准PLA或Tough PLA作为加固材料来测试SustainaPrint。即便只有20%的加固，混合打印件的强度也恢复了高性能打印件的70%。
他们打印了从简单的机械形状，如环形和梁形，到日常用品，如耳机支架、墙钩和花盆等多种物品，使用了三种不同的方式：仅使用环保丝材、仅使用高强度PLA，以及混合使用SustainaPrint设置。机械测试，包括拉伸、弯曲和断裂测试表明，混合打印件的表现通常与完全使用PLA的打印件相当。在一次对圆顶形物体的测试中，混合打印件甚至超越了完全加固版本，这可能是由于更好的应力分布避免了脆性断裂。
Perroni-Scharf表示：“这表明，在某些几何形状和加载条件下，战略性地混合材料实际上可能比单一的均质材料表现得更好。它提醒我们，现实世界中的机械行为充满复杂性，特别是在3D打印中，层间粘附性和工具路径的选择可能以意想不到的方式影响性能。”
PolyTerra PLA缠绕在回收纸板线轴上，使用回收标签和外包装。图像来源：Polymaker。
一种简约、环保的教育3D打印系统
为了支持打印前的强度测试，研究团队还开发了一个DIY工具包。这款3D打印设备可以测量拉伸强度和弯曲强度，并可以与日常物品，如引体向上杠或数字秤搭配使用。基准测试表明，即便是使用回收丝材，结果也非常一致。
尽管SustainaPrint针对双挤出打印机进行了优化，但它也可以通过手动更换丝材的方式适配单挤出设备。当前系统可以处理包含一个施加力和一个固定边界的仿真，涵盖许多常见的使用场景。未来版本将支持更复杂的加载情形，并利用人工智能推断物体的预期功能，可能实现自动化的应力分析。
研究人员计划将SustainaPrint作为开源项目发布，公开提供软件和测试工具包。他们还希望将其作为教育工具使用。Perroni-Scharf说：“在课堂上，SustainaPrint不仅仅是软件，它是一个集材料科学、结构工程和可持续设计为一体的实践项目。”
增材制造中的回收努力
除了MIT和哈索·普拉特纳研究院的相关举措外，增材制造行业在促进可持续性和材料回收方面也取得了显著进展。今年2月，America Makes和国防制造与加工国家中心宣布了210万美元资助轮次的获奖者，涵盖六个关键研究领域。其中，国际标准化组织ASTM国际将领导一项60万美元的项目，分析增材制造的可持续性和环境效益。
该项目将专注于开发再利用和回收增材制造材料的方法。它将探索材料回收策略、生命周期评估以及帮助制造商采用环保实践而不妥协部件性能或可靠性的框架。研究将建立在ASTM在增材制造标准、认证和可持续性方面的专业知识基础上，确保研究成果能够为行业最佳实践和监管指南做出贡献。
2024年，位于华沙的公司AMAZEMET在Formnext 2024展会上推出了其Powder2Powder（P2P）雾化系统。这一系统为回收金属粉末并直接从现有粉末原料生产定制预合金粉末提供了多功能解决方案，标志着3D打印行业在可持续金属粉末生产方面的重要进展。
Amazemet工程师使用西门子Xcelerator软件。图像来源：Amazemet。
