麻省理工新FDM 3D打印方法，可不犧牲強度減少80%的塑料用量

2025年9月6日，南極熊獲悉，麻省理工學(xué)院計算機科學(xué)與人工智能實驗室（CSAIL）與Hasso Plattner研究所聯(lián)合開發(fā)了一項創(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，通過有限元分析精準(zhǔn)預(yù)測打印模型的應(yīng)力分布，智能選擇高強度與環(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，3D打印技術(shù)已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步。幾十年來，3D打印機已經(jīng)從最初的實驗性奇觀發(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、建筑模型，甚至功能齊全的人體器官。

但隨著技術(shù)的成熟，這項技術(shù)的環(huán)境足跡越來越難以消除。絕大多數(shù)消費級和工業(yè)級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)?！钡奶娲?，但它們也存在一個嚴(yán)重的缺點：它們的強度通常不如石油基塑料線材。這些環(huán)保型線材在受力時容易變脆，因此不適用于結(jié)構(gòu)應(yīng)用或承重部件——而這些部件的強度恰恰是最重要的。

可持續(xù)性和機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韌和弱韌的線材，從而實現(xiàn)兩者的最佳性能。該系統(tǒng)還可自動識別模型中的高應(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可在不犧牲強度的情況下減少80%的塑料用量

在不犧牲強度的情況下減少80%的塑料用量

在實際測試中，研究團(tuán)隊選用Polymaker的PolyTerra PLA作為環(huán)?；祝琔ltimaker PLA作為增強材料。僅用20%的高強度材料，即可使打印件恢復(fù)至70%的全強度性能。部分案例中，混合材料結(jié)構(gòu)因應(yīng)力分布更均勻，性能甚至超越全強度打印件。項目負(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、固定點與受力區(qū)域定義，并通過有限元分析自動生成增強策略。DIY測試工具包允許用戶利用家用設(shè)備（如體重秤、引體向上桿）測量拉伸和彎曲強度，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已針對雙擠出打印機優(yōu)化，同時兼容單擠出機手動切換。團(tuán)隊正致力于擴展系統(tǒng)功能，以應(yīng)對更復(fù)雜的應(yīng)力條件，并計劃引入人工智能驅(qū)動的自動化強化策略。

該項目將以開源模式發(fā)布，包括完整測試工具包，助力行業(yè)與教育領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。Perroni-Scharf補充道：“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)計教學(xué)的創(chuàng)新平臺?！焙现逷atrick Baudisch表示：“SustainaPrint解決了材料回收利用的關(guān)鍵難題，實現(xiàn)了環(huán)保與性能的雙贏?！?br />
本項研究由可持續(xù)發(fā)展設(shè)計基金資助，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（UIST）上正式發(fā)布。