Techniek maakt complexe 3D-geprinte onderdelen betrouwbaarder

Nieuw MIT-onderzoek maakt het mogelijk dat computerontwerpen de beperkingen van 3D-printers integreren, zodat de prestaties van materialen in de lucht- en ruimtevaart, de medische sector en andere toepassingen beter kunnen worden beheerst.

Mensen maken steeds vaker gebruik van software om complexe materiaalstructuren zoals vliegtuigvleugels en medische implantaten te ontwerpen. Maar naarmate ontwerpmodellen steeds geavanceerder worden, kunnen onze fabricagetechnieken niet meekomen. Zelfs 3D-printers hebben moeite om de precieze ontwerpen die door algoritmen zijn gemaakt, betrouwbaar te produceren. Dit probleem heeft geleid tot een discrepantie tussen de verwachte prestaties van een materiaal en de daadwerkelijke werking ervan.

Onderzoekers van MIT hebben nu een manier gevonden om met modellen rekening te houden met de beperkingen van 3D-printen tijdens het ontwerpproces. In experimenten lieten ze zien dat hun aanpak gebruikt kan worden om materialen te maken die veel beter presteren dan de bedoeling is.

“Als je geen rekening houdt met deze beperkingen, kunnen printers aanzienlijk te veel of te weinig materiaal deponeren, waardoor je onderdeel zwaarder of lichter wordt dan bedoeld. Het kan ook de materiaalprestaties aanzienlijk over- of onderschatten”, aldus Josephine Carstensen, universitair hoofddocent civiele techniek en milieukunde. “Met onze techniek weet je wat je krijgt qua prestaties, omdat het numerieke model en de experimentele resultaten zeer goed op elkaar aansluiten.”

De aanpak wordt beschreven in het tijdschrift Materials and Design, in een open access-artikel dat mede is geschreven door Carstensen en promovendus Hajin Kim-Tackowiak.

Theorie en realiteit met elkaar verbinden

In de afgelopen tien jaar hebben nieuwe ontwerp- en fabricagetechnologieën de manier waarop dingen worden gemaakt, veranderd, met name in sectoren zoals de lucht- en ruimtevaart, de automobielindustrie en de biomedische technologie, waar materialen nauwkeurige gewicht-sterkteverhoudingen en andere prestatiedrempels moeten bereiken. Met name 3D-printen maakt het mogelijk om materialen te maken met complexere interne structuren.

“3D-printprocessen bieden ons over het algemeen meer flexibiliteit, omdat we geen vormen of mallen hoeven te bedenken voor dingen die met traditionelere methoden zoals spuitgieten zouden worden gemaakt”, aldus Kim-Tackowiak.

Net als 3D-printen de productie nauwkeuriger heeft gemaakt, geldt dit ook voor methoden voor het ontwerpen van complexe materiaalstructuren. Een van de meest geavanceerde computationele ontwerptechnieken staat bekend als topologie-optimalisatie. Topologie-optimalisatie is gebruikt om nieuwe en vaak verrassende materiaalstructuren te genereren die conventionele ontwerpen kunnen overtreffen en in sommige gevallen de theoretische grenzen van bepaalde prestatiedrempels benaderen. Het wordt momenteel gebruikt om materialen te ontwerpen met geoptimaliseerde stijfheid en sterkte, maximale energieabsorptie, vloeistofpermeabiliteit en meer.

Maar topologie-optimalisatie leidt vaak tot ontwerpen op extreem kleine schaal die 3D-printers maar moeilijk betrouwbaar kunnen reproduceren. Het probleem is de grootte van de printkop die het materiaal extrudeert. Als het ontwerp bijvoorbeeld een laagdikte van 0,5 millimeter voorschrijft, en de printkop slechts lagen van 1 millimeter dik kan extruderen, zal het uiteindelijke ontwerp kromtrekken en onnauwkeurig zijn.

Een ander probleem heeft te maken met de manier waarop 3D-printers onderdelen maken. Een printkop extrudeert een dun laagje materiaal terwijl het over het printgebied glijdt, waardoor onderdelen geleidelijk laag voor laag worden opgebouwd. Dat kan leiden tot een zwakke verbinding tussen de lagen, waardoor het onderdeel gevoeliger wordt voor loslating of falen.

De onderzoekers probeerden de discrepantie tussen verwachte en werkelijke materiaaleigenschappen die voortvloeit uit deze beperkingen aan te pakken. “We dachten: ‘We kennen deze beperkingen al vanaf het begin, en de techniek is beter geworden in het kwantificeren ervan, dus we kunnen er net zo goed vanaf het begin rekening mee houden bij het ontwerpen'”, zegt Kim-Tackowiak.

In eerder werk ontwikkelde Carstensen een algoritme dat informatie over de grootte van de printkop integreerde in ontwerpalgoritmen voor balkstructuren. Voor dit artikel bouwden de onderzoekers voort op die aanpak om de richting van de printkop en de bijbehorende impact van zwakke binding tussen lagen te integreren. Ze zorgden er ook voor dat het werkte met complexere, poreuze structuren die extreem elastische eigenschappen kunnen hebben.

De aanpak stelt gebruikers in staat om variabelen toe te voegen aan de ontwerpalgoritmen die rekening houden met het midden van de kraal die uit een printkop wordt geëxtrudeerd en de exacte locatie van het zwakkere bindingsgebied tussen lagen. De aanpak bepaalt ook automatisch het pad dat de printkop tijdens de productie moet volgen.

De onderzoekers gebruikten hun techniek om een reeks herhalende 2D-ontwerpen te creëren met verschillende groottes holle poriën, oftewel dichtheden. Ze vergeleken deze creaties met materialen die waren gemaakt met traditionele topologie-optimalisatieontwerpen met dezelfde dichtheden.

In tests weken de traditioneel ontworpen materialen meer af van hun beoogde mechanische prestaties dan materialen die waren ontworpen met de nieuwe techniek van de onderzoekers bij materiaaldichtheden onder de 70 procent. De onderzoekers ontdekten ook dat conventionele “Je hebt veel expertise nodig om goede resultaten te behalen, zodat de materialen zich, zodra je de ontwerpen van de computer haalt, gedragen zoals je had verwacht”, zegt Carstensen. “We proberen het gemakkelijk te maken om deze producten met hoge betrouwbaarheid te produceren.”

Een nieuwe ontwerpaanpak opschalen

De onderzoekers denken dat dit de eerste keer is dat een ontwerptechniek rekening houdt met zowel de grootte van de printkop als de zwakke verbinding tussen de lagen.

“Wanneer je iets ontwerpt, moet je zoveel mogelijk context gebruiken”, zegt Kim-Tackowiak. “Het was bevredigend om te zien dat meer context in het ontwerpproces de uiteindelijke materialen nauwkeuriger maakt. Het betekent minder verrassingen. Vooral nu we zoveel meer computerkracht in deze ontwerpen steken, is het mooi om te zien dat we wat er uit de computer komt, kunnen correleren met wat er uit het productieproces komt.”

In toekomstig werk hopen de onderzoekers hun methode te verbeteren voor hogere materiaaldichtheden en voor verschillende soorten materialen zoals cement en keramiek. Toch gaven ze aan dat hun aanpak een verbetering bood ten opzichte van bestaande technieken, waarvoor vaak ervaren 3D-printspecialisten nodig zijn om rekening te houden met de beperkingen van de machines en materialen.

“Het was gaaf om te zien dat je, door alleen al de grootte van je depositie en de waarden van de bindingseigenschappen in te voeren, ontwerpen krijgt waarvoor anders de raadpleging van iemand met jarenlange ervaring in de sector nodig was”, aldus Kim-Tackowiak.

De onderzoekers zeggen dat het werk de weg vrijmaakt voor ontwerpen met meer materialen. “We zouden graag zien dat dit het gebruik van materialen mogelijk maakt die mensen hebben genegeerd omdat het printen ermee tot problemen heeft geleid”, zegt Kim-Tackowiak. “Nu kunnen we die eigenschappen benutten of met die eigenaardigheden werken in plaats van alle beschikbare materiaalopties te negeren.”