多材料3D打印使制造商能夠制造具有多種顏色和不同紋理的定制設(shè)備。但這個過程可能很耗時，打調(diào)而且浪費，和色因為現(xiàn)有的控制3D打印機必須在多個噴嘴之間切換，通常會在開始沉積另一種材料之前丟棄一種材料。通過
麻省理工學(xué)院和代爾夫特理工大學(xué)的研究人員現(xiàn)已推出一種更高效、更少浪費、熨燙研究印對顏色更高精度的完善紋理技術(shù)，該技術(shù)利用熱響應(yīng)材料一步打印具有多種顏色、打調(diào)色調(diào)和紋理的和色物體。
他們的控制方法稱為速度調(diào)節(jié)熨燙，采用雙噴嘴3D打印機。通過第一個噴嘴沉積熱敏細(xì)絲，第二個噴嘴經(jīng)過打印材料以利用熱量激活某些響應(yīng)，例如不透明度或粗糙度的變化。
通過控制第二個噴嘴的速度，研究人員可以將材料加熱到特定溫度，精細(xì)調(diào)整熱響應(yīng)細(xì)絲的顏色、色調(diào)和粗糙度。重要的是，這種方法不需要任何硬件修改。
研究人員開發(fā)了一種模型，可以根據(jù)噴嘴的速度預(yù)測“熨燙”噴嘴傳遞給材料的熱量。他們以該模型為基礎(chǔ)開發(fā)了用戶界面，該界面可以自動生成打印指令，以實現(xiàn)顏色、色調(diào)和紋理規(guī)格。
可以使用調(diào)速熨燙技術(shù)，通過改變印刷品的顏色來創(chuàng)造藝術(shù)效果。該技術(shù)還可以制作有紋理的手柄，讓手部無力的人更容易抓握。
“如今，我們擁有的臺式打印機使用幾種墨水的智能組合來生成一系列色調(diào)和紋理。我們希望能夠使用3D打印機做同樣的事情——使用一組有限的材料為3D打印對象創(chuàng)建一組更加多樣化的特征，”調(diào)速熨燙論文的合著者MustafaDo?aDo?an博士說。'24。
該項目是代爾夫特理工大學(xué)助理教授ZjenjaDoubrovski和麻省理工學(xué)院電氣工程與計算機科學(xué)系(EECS)TIBCO職業(yè)發(fā)展教授兼麻省理工學(xué)院計算機科學(xué)與人工智能實驗室(CSAIL)成員StefanieMueller的研究小組之間的合作。
Do?an與主要作者代爾夫特理工大學(xué)的MehmetOzdemir、麻省理工學(xué)院機械工程研究生MarwaAlAlawi和代爾夫特理工大學(xué)的JoseMartinezCastro密切合作。這項研究將于10月13日至16日在匹茲堡舉行的ACM用戶界面軟件和技術(shù)研討會(UIST2024)上發(fā)表。
調(diào)節(jié)速度來控制溫度
研究人員啟動該項目是為了探索更好的方法，以使用單一材料實現(xiàn)多屬性3D打印。熱響應(yīng)細(xì)絲的使用很有前景，但大多數(shù)現(xiàn)有方法都使用單個噴嘴進行打印和加熱。打印機總是需要先將噴嘴加熱到所需的目標(biāo)溫度，然后再沉積材料。
然而，加熱和冷卻噴嘴需要很長時間，并且噴嘴中的燈絲在達到較高溫度時可能會降解，存在危險。
為了防止這些問題，該團隊開發(fā)了一種熨燙技術(shù)，即使用一個噴嘴打印材料，然后用第二個空噴嘴激活材料，該噴嘴只會重新加熱材料。研究人員沒有調(diào)節(jié)溫度來觸發(fā)材料反應(yīng)，而是保持第二個噴嘴的溫度恒定，并改變其在打印材料上移動的速度，略微接觸層的頂部。
“當(dāng)我們調(diào)節(jié)速度時，我們熨燙的印刷層就會達到不同的溫度。這類似于將手指移到火焰上時發(fā)生的情況。如果你快速移動，你可能不會被燙傷，但如果你慢慢地將它拖過火焰，你的手指就會達到更高的溫度，”AlAlawi說。
麻省理工學(xué)院的研究團隊與代爾夫特理工大學(xué)的研究人員合作開發(fā)了理論模型，可以預(yù)測第二個噴嘴必須移動多快才能將材料加熱到特定溫度。
該模型將材料的輸出溫度與其熱響應(yīng)特性關(guān)聯(lián)起來，以確定在打印物體中實現(xiàn)特定顏色、色調(diào)或紋理的精確噴嘴速度。
“有很多輸入因素會影響我們得到的結(jié)果。我們正在模擬一些非常復(fù)雜的東西，但我們也希望確保結(jié)果是精細(xì)的，”AlAlawi說。
該團隊深入研究了科學(xué)文獻，確定了一組獨特材料的適當(dāng)傳熱系數(shù)，并將其納入模型中。他們還必須應(yīng)對一系列不可預(yù)測的變量，例如風(fēng)扇可能散發(fā)的熱量以及打印物體的房間的空氣溫度。
他們將模型融入一個用戶友好的界面，簡化了科學(xué)過程，自動將制造商的3D模型中的像素轉(zhuǎn)換成一組機器指令，控制雙噴嘴打印和熨燙物體的速度。
更快、更精細(xì)的制造
他們用三種熱敏絲測試了他們的方法。第一種是發(fā)泡聚合物，其顆粒受熱膨脹，產(chǎn)生不同的色調(diào)、透明度和紋理。他們還試驗了一種填充木纖維的絲和一種填充軟木纖維的絲，這兩種纖維都可以燒焦，產(chǎn)生越來越深的色調(diào)。
研究人員展示了他們的方法如何生產(chǎn)出部分透明的物體，比如水瓶。為了制造水瓶，他們以低速熨燙發(fā)泡聚合物以產(chǎn)生不透明區(qū)域，以高速熨燙以產(chǎn)生半透明區(qū)域。他們還利用發(fā)泡聚合物制造出具有不同粗糙度的自行車把手，以提高騎手的抓握力。
嘗試使用傳統(tǒng)的多材料3D打印技術(shù)來生產(chǎn)類似的物品需要花費更多時間，有時會增加打印過程的幾個小時，并且消耗更多的能源和材料。此外，速度調(diào)節(jié)熨燙可以產(chǎn)生其他方法無法實現(xiàn)的細(xì)粒度色調(diào)和紋理漸變。
未來，研究人員希望試驗其他熱敏材料，例如塑料。他們還希望探索使用調(diào)速熨燙來改變某些材料的機械和聲學(xué)特性。
