自1983年由查克·赫尔（Chuck Hull）发明以来，3D打印已经走了很长一段路，他率先启用了立体光刻，这种技术将液体树脂固化为使用紫外线激光器的固体物体。在过去的几十年中，3D打印机已经从实验好奇心演变为能够生产从定制假体到复杂食品设计，建筑模型甚至运行人体器官的工具。”
但是随着技术的成熟，其环境足迹变得越来越难以搁置。绝大多数消费者和工业3D打印仍然依赖于石油的塑料丝。尽管存在由可生物降解或可回收材料制成的绿色替代品，但它们具有严重的权衡：它们通常不那么强。这些环保细丝在压力下往往会变得脆弱，使它们不适合结构性应用或承载零件 - 正是强度最重要的地方。
可持续性与机械性能之间的这种权衡促使MIT的计算机科学和人工智能实验室（CSAIL）和Hasso Plattner Institute的研究人员问：是否有可能构建主要是环保的对象，但仍然很强？
他们的答案是可持续性这是一种新的软件和硬件工具包，旨在帮助用户战略性地结合坚固和弱的细丝，以获得两全其美。该系统没有通过有限元分析模拟来分析模型，而不是用高性能塑料打印整个对象，而是预测对象最有可能遇到压力的地方，然后仅加强具有更强材料的区域。零件的其余部分可以使用更绿，较弱的细丝，减少塑料的使用，同时保留结构完整性。
``我们的希望是，可持续性可以在一天的工业和分布式制造环境中使用，当地材料的质量和成分可能会有所不同。”介绍该项目的论文。在这些情况下，测试工具包可以帮助确保可用的细丝的可靠性，而软件的加固策略可以减少整体材料消耗而无需牺牲功能。”
在他们的实验中，该团队使用聚合物的Polyterra PLA作为环保灯丝，以及Ultimaker的标准或坚硬的PLA进行加固。他们使用20％的加固阈值表明，即使是少量强塑料也有很长的路要走。使用此比率，可持续性能够恢复完全用高性能塑料印刷的物体强度的70％。
他们打印了数十个物体，从简单的机械形状（如环和横梁）到更具功能的家庭用品，例如耳机支架，墙钩和花盆。每个对象都被打印出三种方式：仅使用环保灯丝，一次只使用强烈的PLA，一次使用混合可持续性配置。然后通过拉动，弯曲或以其他方式将其机械测试，以测量每种配置可以承受多少力量。”
在许多情况下，混合印刷品几乎和全强度版本一样。例如，在一个涉及类似圆顶形状的测试中，混合版本的表现超过了完全用艰难的PLA印刷的版本。该团队认为这可能是由于增强版本更均匀地分配压力的能力，从而避免了过度刚度导致的脆弱故障。
``这表明在某些几何形状和加载条件下，策略性地混合材料实际上可能胜过单个同质材料，” Perroni-Scharf说。提醒人们，现实世界的机械行为充满了复杂性，尤其是在3D打印中，在3D打印中，层间粘附和工具路径决策会以意外的方式影响性能。
精益，绿色，环保的印刷机
SustautaPrint首先让用户将其3D模型上传到自定义界面中。通过选择固定区域和将要应用力的区域，该软件然后使用一种称为“有限元分析的方法”来模拟对象在压力下如何变形。然后，它创建了一个图，显示结构内部的压力分布，突出显示压缩或张力下的区域，并应用启发式方法将对象分为两类：需要加固的对象，以及那些不需要的类别。
认识到需要可访问和低成本测试的需求，该团队还开发了DIY测试工具包，以帮助用户在打印前评估强度。该套件具有3D打印机的设备，该设备具有用于测量拉伸强度和弯曲强度的模块。用户可以将该设备与普通项目（例如上拉杆或数字秤）配对，以获得粗糙但可靠的性能指标。该小组对制造商数据进行了基准测试，发现他们的测量值始终落在一个标准偏差之内，即使是经历了多个回收周期的细丝。
尽管当前的系统是为双解释打印机设计的，但研究人员认为，通过一些手动灯丝交换和校准，它也可以适用于单脱位设置。在当前形式中，系统通过仅允许一个力和一个固定边界来简化建模过程。尽管这涵盖了广泛的常见用例，但团队看到未来的工作扩展了软件以支持更复杂和动态的加载条件。该团队还认为，使用AI根据其几何形状来推断对象的预期用途的潜力，这可以允许无需手动输入力或边界即可进行全自动应力建模。
3D免费
研究人员计划发布可持续性开源，使软件和测试工具包可用于公共使用和修改。他们渴望将来栩栩如生的另一项倡议：教育。Perroni-Scharf说，在课堂上，可持续性不仅仅是一种工具，它是一种向学生传授材料科学，结构工程和可持续设计的方式。”它将这些抽象概念变成了有形的东西。
随着3D打印变得越来越融入我们如何制造和原型从消费品到紧急设备的所有内容，可持续性问题只会增加。借助可持续性等工具，这些担忧不再需要以绩效为代价。取而代之的是，它们可以成为设计过程的一部分：内置在我们所做的事物的几何形状中。
Hasso Plattner Institute的教授的合着者Patrick Baudisch补充说，该项目解决了一个关键问题：当没有计划实际使用该材料的计划时，收集材料的目的是什么？Maxine介绍了3D打印材料回收的理论/抽象思想与使这个想法相关的实际所需的联系。
Perroni-Scharf和Baudisch与Csail研究助理Jennifer Xiao一起撰写了论文；麻省理工学院电气工程和计算机科学硕士科尔·鲍林（Cole Paulin）24；硕士的学生Ray Wang SM 25和博士生Ticha Sethapakdi Sm的19岁（两个Csail成员）；Hasso Plattner Institute博士学生Muhammad Abdullah；以及Csail人类交互工程集团的负责人Stefanie Mueller副教授Stefanie Mueller。
研究人员的工作得到了可持续性MIT-HPI研究计划的可持续性赠款设计的支持。他们的工作将于9月在ACM用户界面软件和技术研讨会上介绍。