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原文链接：https://news.mit.edu/2025/greener-way-3d-print-stronger-stuff-0904
原文作者：Rachel Gordon | MIT CSAIL
更环保、更坚固的3D打印新途径
麻省理工学院（MIT）计算机科学与人工智能实验室（CSAIL）的研究人员开发了一套名为SustainaPrint的系统，该系统仅加固环保型3D打印件中最薄弱的区域，从而以更少的塑料实现了更强的效果。
作者： Rachel Gordon | MIT CSAIL
发布日期： 2025年9月4日
图注： 一种名为SustainaPrint的新软硬件工具包，可以帮助用户策略性地结合强弱耗材，以达到最佳效果。系统不会用高性能塑料打印整个物体，而是分析模型，预测物体最可能承受压力的区域，并用更坚固的材料加强这些区域。 （图片来源：Alex Shipps/MIT CSAIL，使用Pixabay和研究人员提供的素材）
自1983年由查克·赫尔（Chuck Hull）发明立体光刻技术以来，3D打印已经取得了长足的进步。几十年来，3D打印机已经从实验性的新奇事物发展成为能够生产定制假肢、复杂食品设计、建筑模型甚至功能性人体器官的工具。
但是，随着技术的成熟，其对环境造成的影响越来越难以忽视。绝大多数消费级和工业级3D打印仍然依赖于石油基塑料线材。尽管存在由可生物降解或回收材料制成的“更环保”的替代品，但它们带来了一个严重的权衡：它们通常不够坚固。这些环保型线材在压力下容易变脆，使其不适合结构应用或承重部件——而这正是强度最关键的领域。
平衡可持续性与结构性能的挑战
这种在可持续性和机械性能之间的权衡，促使麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室（CSAIL）和哈索·普拉特纳研究所的研究人员提出了一个问题：是否有可能制造出大部分环保，但在关键部位仍然坚固的物体？
他们的答案是 SustainaPrint，这是一个新的软硬件工具包，旨在帮助用户策略性地结合强弱线材，以兼得两者之长。该系统不会用高性能塑料打印整个物体，而是通过有限元分析（FEA）模拟来分析模型，预测物体最可能承受压力的区域，然后仅用更坚固的材料加强这些区域。部件的其余部分可以使用更环保、较弱的线材打印，从而减少塑料使用量，同时保持结构完整性。
“我们的希望是，SustainaPrint有一天能被用于工业和分布式制造环境，在这些环境中，本地材料的质量和成分可能各不相同，”SustainaPrint的首席作者、MIT CSAIL博士生Maxine Perroni-Scharf说道。“在这些情况下，测试工具包可以帮助确保可用线材的可靠性，而软件的加固策略可以减少总体材料消耗，而不会牺牲功能。”
在实验中，团队使用了Polymaker的PolyTerra PLA作为环保线材，使用Ultimaker的标准或Tough PLA进行加固。他们使用了20%的加固阈值来表明，即使少量坚固的塑料也能起到很大作用。使用此比例，SustainaPrint能够恢复完全使用高性能塑料打印的物体高达70%的强度。
他们打印了几十个物体，从简单的环和梁等机械形状到更实用的家用物品，如耳机支架、墙钩和花盆。每个物体都以三种方式打印：一次仅使用环保线材，一次仅使用强力PLA，以及一次使用SustainaPrint的混合配置。然后对打印的部件进行机械测试，通过拉伸、弯曲或以其他方式将其折断，以测量每种配置可以承受的力。
在许多情况下，混合打印的性能几乎与全强度版本一样好。例如，在一个涉及圆顶状物体的测试中，混合版本甚至优于完全用Tough PLA打印的版本。团队认为，这可能是由于加固版本能够更均匀地分布应力，避免了过度刚性有时导致的脆性断裂。
Perroni-Scharf说：“这表明，在某些几何形状和载荷条件下，策略性地混合材料可能比单一的均质材料表现更好。”“这提醒我们，现实世界的机械行为充满了复杂性，尤其是在3D打印中，层间粘合和走丝路径的决策可能会以意想不到的方式影响性能。”
精简、绿色、环保的打印机
SustainaPrint首先让用户将3D模型上传到一个定制界面。通过选择固定的区域和施加力的区域，软件然后使用一种称为“有限元分析”的方法来模拟物体在压力下的变形情况。然后，它会生成一个显示结构内部压力分布的地图，突出显示受压或受拉的区域，并应用启发式规则将物体分成两类：需要加固的区域和不需要加固的区域。
认识到易于获取和低成本测试的需求，该团队还开发了一个DIY测试工具包，以帮助用户在打印前评估强度。该套件包含一个3D打印设备，带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引体向上杆或数字秤等常见物品配对，以获得粗略但可靠的性能指标。该团队将他们的结果与制造商数据进行了比较，发现他们的测量结果始终在一个标准差范围内，即使对于经过多次回收循环的线材也是如此。
虽然目前的系统是为双挤出打印机设计的，但研究人员认为，通过一些手动换料和校准，也可以将其应用于单挤出设置。在当前形式下，该系统通过允许每次模拟只有一个力和一个固定边界来简化建模过程。虽然这涵盖了广泛的常见用例，但团队希望未来的工作能扩展该软件以支持更复杂和动态的加载条件。团队还看到了利用人工智能根据物体几何形状推断其预期用途的潜力，这将实现完全自动化的应力建模，无需手动输入力和边界。
免费的3D打印
研究人员计划将SustainaPrint开源，使软件和测试工具包可供公众使用和修改。他们希望在未来实现的另一个倡议是教育。“在课堂上，SustainaPrint不仅仅是一个工具，它还是一个将材料科学、结构工程和可持续设计等抽象概念融合成一个项目的教学方式，”Perroni-Scharf说。“它将这些抽象概念变成了有形的东西。”
随着3D打印越来越多地融入我们制造和原型制作一切（从消费品到应急设备）的方式，可持续性问题只会越来越突出。有了SustainaPrint这样的工具，这些问题就不必以牺牲性能为代价。相反，它们可以成为设计过程的一部分：融入我们所制造物品的几何形状之中。
合著者、哈索·普拉特纳研究所教授Patrick Baudisch补充说：“该项目解决了一个关键问题：收集材料用于回收的意义何在，如果根本没有计划使用这些材料呢？Maxine展示了3D打印材料回收的理论/抽象理念与使这一理念真正相关所需的实际行动之间的缺失环节。”
Perroni-Scharf和Baudisch与CSAIL研究助理Jennifer Xiao；MIT电气工程与计算机科学系硕士生Cole Paulin ’24；硕士生Ray Wang SM ’25和博士生Ticha Sethapakdi SM ’19（均为CSAIL成员）；哈索·普拉特纳研究所博士生Muhammad Abdullah；以及CSAIL人机交互工程组负责人Stefanie Mueller副教授共同撰写了该论文。
研究人员的工作得到了MIT-HPI研究项目“面向可持续性的设计”提供的可持续性设计补助金的支持。他们的研究成果将于九月在ACM用户界面软件技术研讨会（ACM Symposium on User Interface Software and Technology）上发表。
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