麻省理工新FDM 3D打印方法，可不犧牲強(qiáng)度減少80%的塑料用量

2025年9月6日，南極熊獲悉，麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室（CSAIL）與Hasso Plattner研究所聯(lián)合開發(fā)了一項(xiàng)創(chuàng)新性3D打印解決方案SustainaPrint。該系統(tǒng)融合了先進(jìn)的軟件和硬件，通過(guò)有限元分析精準(zhǔn)預(yù)測(cè)打印模型的應(yīng)力分布，智能選擇高強(qiáng)度與環(huán)保絲材，顯著提升打印件性能與材料利用效率。

麻省理工學(xué)院發(fā)明3D打印方法

技術(shù)研發(fā)背景

自1983年Chuck Hull發(fā)明立體光刻技術(shù)（一種利用紫外線激光將液態(tài)樹脂固化成固體物體的技術(shù)）以來(lái)，3D打印技術(shù)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。幾十年來(lái)，3D打印機(jī)已經(jīng)從最初的實(shí)驗(yàn)性奇觀發(fā)展成為能夠生產(chǎn)各種物體的工具，從定制假肢到復(fù)雜的食品設(shè)計(jì)、建筑模型，甚至功能齊全的人體器官。

但隨著技術(shù)的成熟，這項(xiàng)技術(shù)的環(huán)境足跡越來(lái)越難以消除。絕大多數(shù)消費(fèi)級(jí)和工業(yè)級(jí)3D打印仍然依賴于石油基塑料線材。雖然目前存在由可生物降解或可回收材料制成的“更環(huán)保”的替代品，但它們也存在一個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)：它們的強(qiáng)度通常不如石油基塑料線材。這些環(huán)保型線材在受力時(shí)容易變脆，因此不適用于結(jié)構(gòu)應(yīng)用或承重部件——而這些部件的強(qiáng)度恰恰是最重要的。

可持續(xù)性和機(jī)械性能之間的這種權(quán)衡促使研究人員提出疑問：是否有可能制造出大多環(huán)保但在重要方面仍然堅(jiān)固的物體？他們的答案是SustainaPrint，這是一款全新的軟硬件工具包，旨在幫助用戶巧妙地組合強(qiáng)韌和弱韌的線材，從而實(shí)現(xiàn)兩者的最佳性能。該系統(tǒng)還可自動(dòng)識(shí)別模型中的高應(yīng)力區(qū)域，僅在這些關(guān)鍵部位采用高強(qiáng)度塑料進(jìn)行加固，其余部分則使用環(huán)保材料。此策略不僅優(yōu)化了材料消耗，還助力3D打印行業(yè)向可持續(xù)制造轉(zhuǎn)型。

SustainaPrint可在不犧牲強(qiáng)度的情況下減少80%的塑料用量

在不犧牲強(qiáng)度的情況下減少80%的塑料用量

在實(shí)際測(cè)試中，研究團(tuán)隊(duì)選用Polymaker的PolyTerra PLA作為環(huán)?；?，Ultimaker PLA作為增強(qiáng)材料。僅用20%的高強(qiáng)度材料，即可使打印件恢復(fù)至70%的全強(qiáng)度性能。部分案例中，混合材料結(jié)構(gòu)因應(yīng)力分布更均勻，性能甚至超越全強(qiáng)度打印件。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、麻省理工學(xué)院博士生Maxine Perroni-Scharf表示：“在特定幾何和負(fù)載條件下，策略性混合材料的性能優(yōu)于單一均質(zhì)材料?！?br />
SustainaPrint配備用戶友好界面，支持模型上傳、固定點(diǎn)與受力區(qū)域定義，并通過(guò)有限元分析自動(dòng)生成增強(qiáng)策略。DIY測(cè)試工具包允許用戶利用家用設(shè)備（如體重秤、引體向上桿）測(cè)量拉伸和彎曲強(qiáng)度，結(jié)果與制造商數(shù)據(jù)高度一致，適用于回收線材。

目前，SustainaPrint已針對(duì)雙擠出打印機(jī)優(yōu)化，同時(shí)兼容單擠出機(jī)手動(dòng)切換。團(tuán)隊(duì)正致力于擴(kuò)展系統(tǒng)功能，以應(yīng)對(duì)更復(fù)雜的應(yīng)力條件，并計(jì)劃引入人工智能驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)化強(qiáng)化策略。

該項(xiàng)目將以開源模式發(fā)布，包括完整測(cè)試工具包，助力行業(yè)與教育領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。Perroni-Scharf補(bǔ)充道：“SustainaPrint不僅是制造工具，更是材料科學(xué)、結(jié)構(gòu)工程和可持續(xù)設(shè)計(jì)教學(xué)的創(chuàng)新平臺(tái)?！焙现逷atrick Baudisch表示：“SustainaPrint解決了材料回收利用的關(guān)鍵難題，實(shí)現(xiàn)了環(huán)保與性能的雙贏?！?br />
本項(xiàng)研究由可持續(xù)發(fā)展設(shè)計(jì)基金資助，相關(guān)成果將于今年9月在ACM用戶界面軟件與技術(shù)研討會(huì)（UIST）上正式發(fā)布。