通过模拟熨烫，研究人员完善了 3D 打印对颜色、纹理和色调的控制

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多材料 3D 打印使制造商能够制造具有多种颜色和不同纹理的定制设备。但这个过程可能很耗时，而且浪费，因为现有的 3D 打印机必须在多个喷嘴之间切换，通常会在开始沉积另一种材料之前丢弃一种材料。
麻省理工学院和代尔夫特理工大学的研究人员现已推出一种更高效、更少浪费、更高精度的技术，该技术利用热响应材料一步打印具有多种颜色、色调和纹理的物体。
他们的方法称为速度调节熨烫，采用双喷嘴3D 打印机。第一个喷嘴沉积热敏细丝，第二个喷嘴经过打印材料以利用热量激活某些响应，例如不透明度或粗糙度的变化。
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，精细调整热响应细丝的颜色、色调和粗糙度。重要的是，这种方法不需要任何硬件修改。
研究人员开发了一种模型，可以根据喷嘴的速度预测“熨烫”喷嘴传递给材料的热量。他们以该模型为基础开发了用户界面，该界面可以自动生成打印指令，以实现颜色、色调和纹理规格。
可以使用调速熨烫技术，通过改变印刷品的颜色来创造艺术效果。该技术还可以制作有纹理的手柄，让手部无力的人更容易抓握。
“如今，我们拥有的台式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。我们希望能够使用 3D 打印机做同样的事情——使用一组有限的材料为 3D 打印对象创建一组更加多样化的特征，”调速熨烫论文的合著者 Mustafa Doğa Doğan 博士说。'24。
该项目是代尔夫特理工大学助理教授 Zjenja Doubrovski 和麻省理工学院电气工程与计算机科学系 (EECS) TIBCO 职业发展教授兼麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室 (CSAIL) 成员 Stefanie Mueller 的研究小组之间的合作。
Doğan 与主要作者代尔夫特理工大学的 Mehmet Ozdemir、麻省理工学院机械工程研究生 Marwa AlAlawi 和代尔夫特理工大学的 Jose Martinez Castro 密切合作。这项研究将于 10 月 13 日至 16 日在匹兹堡举行的 ACM 用户界面软件和技术研讨会 ( UIST 2024 ) 上发表。
调节速度来控制温度
研究人员启动该项目是为了探索更好的方法，以使用单一材料实现多属性 3D 打印。热响应细丝的使用很有前景，但大多数现有方法都使用单个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目标温度，然后再沉积材料。
然而，加热和冷却喷嘴需要很长时间，并且喷嘴中的灯丝在达到较高温度时可能会降解，存在危险。
为了防止这些问题，该团队开发了一种熨烫技术，即使用一个喷嘴打印材料，然后用第二个空喷嘴激活材料，该喷嘴只会重新加热材料。研究人员没有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，并改变其在打印材料上移动的速度，略微接触层的顶部。
“当我们调节速度时，我们熨烫的印刷层就会达到不同的温度。这类似于将手指移到火焰上时发生的情况。如果你快速移动，你可能不会被烫伤，但如果你慢慢地将它拖过火焰，你的手指就会达到更高的温度，”AlAlawi 说。
麻省理工学院的研究团队与代尔夫特理工大学的研究人员合作开发了理论模型，可以预测第二个喷嘴必须移动多快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关联起来，以确定在打印物体中实现特定颜色、色调或纹理的精确喷嘴速度。
“有很多输入因素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，”AlAlawi 说。
该团队深入研究了科学文献，确定了一组独特材料的适当传热系数，并将其纳入模型中。他们还必须应对一系列不可预测的变量，例如风扇可能散发的热量以及打印物体的房间的空气温度。
他们将模型融入一个用户友好的界面，简化了科学过程，自动将制造商的 3D 模型中的像素转换成一组机器指令，控制双喷嘴打印和熨烫物体的速度。
更快、更精细的制造
他们用三种热敏丝测试了他们的方法。第一种是发泡聚合物，其颗粒受热膨胀，产生不同的色调、透明度和纹理。他们还试验了一种填充木纤维的丝和一种填充软木纤维的丝，这两种纤维都可以烧焦，产生越来越深的色调。
研究人员展示了他们的方法如何生产出部分透明的物体，比如水瓶。为了制造水瓶，他们以低速熨烫发泡聚合物以产生不透明区域，以高速熨烫以产生半透明区域。他们还利用发泡聚合物制造出具有不同粗糙度的自行车把手，以提高骑手的抓握力。
尝试使用传统的多材料 3D 打印技术来生产类似的物品需要花费更多时间，有时会增加打印过程的几个小时，并且消耗更多的能源和材料。此外，速度调节熨烫可以产生其他方法无法实现的细粒度色调和纹理渐变。
未来，研究人员希望试验其他热敏材料，例如塑料。他们还希望探索使用调速熨烫来改变某些材料的机械和声学特性。