多材料3D打印使制造商能够制造具有多种颜色和各种纹理的定制设备。但这个过程既耗时又浪费，因为现有的3D打印机必须在多个喷嘴之间切换，通常在开始沉积另一种材料之前就会丢弃一种材料。
麻省理工学院和代尔夫特理工大学的研究人员现在推出了一种更高效、更少浪费、更高精度的技术，该技术利用热敏材料一步打印出具有多种颜色、色调和纹理的物体。
他们的方法，被称为速度调节熨烫，利用双喷嘴3D打印机。第一个喷嘴放置热响应灯丝，第二个喷嘴通过打印材料来激活某些响应，例如不透明度或粗糙度的变化，使用热量。
通过控制第二个喷嘴的速度，研究人员可以将材料加热到特定的温度，精细地调整热响应细丝的颜色、阴影和粗糙度。重要的是，这种方法不需要任何硬件修改。
研究人员开发了一个模型，可以根据“熨烫”喷嘴的速度预测其向材料传递的热量。他们使用这个模型作为用户界面的基础，该界面可以自动生成打印指令，以实现颜色、阴影和纹理规格。
人们可以使用速度调节熨烫，通过改变印刷品的颜色来创造艺术效果。这项技术还可以制造出有质感的手柄，对于手部虚弱的人来说，这样更容易抓握。
“今天，我们的桌面打印机使用几种墨水的智能组合来生成一系列色调和纹理。我们希望能够用3D打印机做同样的事情——使用有限的一组材料来为3D打印对象创建更多样化的特性，”Mustafa Do?a Do?an博士说。1924年，他与人合著了一篇关于调速熨烫的论文。
该项目是代尔夫特理工大学助理教授Zjenja Doubrovski和麻省理工学院电子工程与计算机科学系(EECS) TIBCO职业发展教授、麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室(CSAIL)成员Stefanie Mueller研究小组之间的合作。
Do?an与代尔夫特工业大学的穆罕默德·奥兹德米尔密切合作;麻省理工学院机械工程研究生Marwa AlAlawi;以及代尔夫特理工大学的何塞·马丁内斯·卡斯特罗。这项研究将在10月13日至16日在匹兹堡举行的ACM用户界面软件与技术研讨会(UIST 2024)上发表。
研究人员启动了这个项目，以探索用一种材料实现多属性3D打印的更好方法。热响应细丝的使用是有希望的，但大多数现有的方法使用单个喷嘴来进行打印和加热。在沉积材料之前，打印机总是需要首先将喷嘴加热到所需的目标温度。
然而，加热和冷却喷嘴需要很长时间，并且随着温度升高，喷嘴中的灯丝可能会降解。
为了防止这些问题，该团队开发了一种熨烫技术，使用一个喷嘴打印材料，然后由第二个空喷嘴激活，该喷嘴只重新加热材料。研究人员没有调整温度来触发材料的反应，而是保持第二个喷嘴的温度恒定，并改变它在印刷材料上移动的速度，稍微接触层的顶部。
“当我们调节速度时，我们正在熨烫的打印层可以达到不同的温度。这就像你在火焰上移动手指一样。如果你快速移动它，你可能不会被烧伤，但如果你慢慢地在火焰上拖拽它，你的手指会达到更高的温度，”阿拉维说。
麻省理工学院的研究小组与代尔夫特理工大学的研究人员合作开发了一个理论模型，该模型可以预测第二个喷嘴需要移动多快才能将材料加热到特定的温度。
该模型将材料的输出温度与其热响应特性相关联，以确定精确的喷嘴速度，从而在打印对象中实现特定的颜色，色调或纹理。
“有很多输入会影响我们得到的结果。我们正在模拟一些非常复杂的东西，但我们也希望确保结果是精细的，”阿拉维说。
该团队深入研究了科学文献，为一组独特的材料确定了适当的传热系数，并将其构建到他们的模型中。他们还必须应对一系列不可预测的变量，比如风扇可能散发的热量和打印物体的房间里的空气温度。
他们将模型整合到一个用户友好的界面中，简化了科学过程，自动将制造商3D模型中的像素转换为一组机器指令，这些指令可以控制物体被双喷嘴打印和熨烫的速度。
他们用三根热响应细丝测试了他们的方法。第一种是发泡聚合物，其颗粒在加热时膨胀，产生不同的色调、半透明和纹理。他们还试验了一种填充木纤维的长丝和一种填充软木纤维的长丝，这两种材料都可以烧焦，产生越来越深的颜色。
研究人员展示了他们的方法是如何制造出像水瓶这样部分半透明的物体的。为了制造水瓶，他们以低速熨烫发泡聚合物，以形成不透明的区域，并以高速熨烫形成半透明的区域。他们还利用发泡聚合物制造了不同粗糙度的自行车把手，以提高骑手的抓地力。
尝试使用传统的多材料3D打印来生产类似的物体需要更多的时间，有时会在打印过程中增加几个小时，并且消耗更多的能源和材料。此外，速度调节熨烫可以产生细粒度的阴影和纹理梯度，这是其他方法无法实现的。
未来，研究人员希望对其他热敏材料进行实验，比如塑料。他们还希望探索使用速度调节熨烫来改变某些材料的机械和声学特性。
更多信息:速度调节熨烫:单材料3D打印中的高分辨率阴影和纹理梯度。zjenjad.github。由麻省理工学院提供
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引用通过模仿熨烫，研究人员完善了3D打印技术
对颜色、纹理和阴影的控制(2024年10月10日)检索自2024年10月10日https://techxplore.com/news/2024-10-mimicking-ironing-3d-texture.html本文档
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