MIT与TU Delft合作开发热响应3D打印新技术，实现单步多色多纹理打印
时间：2024-10-12 09:21 来源：南极熊 作者：admin 阅读：次
这项技术名为“速度调制熨烫”，采用双喷嘴3D打印机。第一个喷嘴沉积热响应性线材，第二个喷嘴通过加热激活已打印材料的特定反应，例如改变透明度或粗糙度。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温度，从而精确调节热响应性线材的颜色、阴影和粗糙度。重要的是，这种方法无需任何硬件修改。研究人员开发了一个模型，可以根据“熨烫”喷嘴的速度预测其传递给材料的热量，并以此模型为基础构建了一个用户界面，可自动生成打印指令，以达到预设的颜色、阴影和纹理规格。利用速度调制熨烫技术，可以改变打印对象的色彩来创造艺术效果，还可以制作纹理手柄，方便手部力量较弱的人抓握。研究论文的作者Mustafa Doğa Doğan表示：“如今，利用桌面打印机可以巧妙地组合几种墨水来生成各种阴影和纹理。我们希望能够用3D打印机实现使用有限的材料为3D打印对象创造更多样化的特性。”
该项目是TU Delft助理教授Zjenja Doubrovski和MIT电子工程与计算机科学系 (EECS) 的TIBCO职业发展教授Stefanie Mueller的研究小组合作完成的。Mueller同时也是MIT计算机科学与人工智能实验室 (CSAIL) 的成员。Doğan与TU Delft的主要作者Mehmet Ozdemir、MIT机械工程研究生Marwa AlAlawi以及TU Delft的Jose Martinez Castro密切合作。这项研究成果将在ACM用户界面软件和技术研讨会上发表。
调制速度以控制温度
研究人员启动项目旨在探索用单一材料实现多属性3D打印的更好方法。使用热响应性线材很有前景，但大多数现有方法都使用单喷嘴进行打印和加热。打印机总是需要先将喷嘴加热到所需的设定温度，然后再沉积材料。然而，喷嘴的加热和冷却需要很长时间，并且存在线材在喷嘴内达到较高温度时可能降解的风险。为了避免这些问题，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对其进行再加热激活。研究人员没有通过调节温度来触发材料反应，而是保持第二个喷嘴的温度恒定，并改变在打印材料上移动的速度——轻轻接触打印层顶部。AlAlawi表示：“当我们调制速度时，就可以让正在熨烫的打印层达到不同的温度。这类似于将手指放在火焰上移动。如果快速移动，可能不会被灼伤；但如果缓慢地划过火焰，手指就会达到更高的温度。”
MIT团队与TU Delft的研究人员合作开发了理论模型，该模型可以预测第二个喷嘴必须以多快的速度移动才能将材料加热到特定温度。该模型将材料的输出温度与其热响应特性相关联，以确定能够在打印对象中实现特定颜色、阴影或纹理的精确喷嘴速度。AlAlawi表示：“有很多输入因素会影响结果。我们正在建模非常复杂的东西，但也要确保结果的精细度。”团队进行了深入研究，以确定一组独特材料的适当传热系数，并将其纳入模型。研究团队还必须应对一系列不可预测的变量，例如风扇散发的热量以及打印对象所在房间的空气温度。他们将该模型整合到一个用户友好的界面中，简化了科学流程，可自动将制造商3D模型中的像素转换为一组机器指令，控制双喷嘴打印和熨烫对象的速度。
更快、更精细的制造
研究人员使用三种热响应性线材进行了测试。第一种是发泡聚合物，其中的颗粒受热后会膨胀，产生不同的阴影、透明度和纹理；还测试了填充木纤维和软木纤维的线材，这两种线材都可以炭化以产生越来越深的阴影。研究人员展示了生产部分透明的物体如水瓶的方法：以低速熨烫发泡聚合物以创建不透明区域，并以高速熨烫以创建半透明区域；还利用发泡聚合物制作了具有不同粗糙度的自行车手柄，以提高骑手的抓地力。
使用传统的多材料3D打印技术来生产类似的物体需要更长的时间（有时会给打印过程增加数小时），并且会消耗更多的能源和材料。此外，速度调制熨烫可以产生其他方法无法实现的精细阴影和纹理渐变。未来，研究人员希望试验其他热响应材料，例如塑料；还希望探索使用速度调制熨烫来改变某些材料的机械和声学特性。
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