MIT與TU Delft合作開發(fā)熱響應(yīng)3D打印新技術(shù)，實現(xiàn)單步多色多紋理3D打印

2024年10月12日，南極熊獲悉，麻省理工學(xué)院 (MIT) 和荷蘭代爾夫特理工大學(xué) (TU Delft) 的研究人員合作開發(fā)了一種名為Speed-Modulated Ironing的新型3D打印技術(shù)。該技術(shù)利用熱響應(yīng)材料，采用雙噴嘴3D打印機(jī)，能夠在單次打印過程中實現(xiàn)物體的多種顏色、陰影和紋理。這一突破性方法具有更高的效率、更少的浪費和更高的精度，為3D打印領(lǐng)域帶來了新的可能性。


△ 使用Speed-Modulated Ironing技術(shù)處理并制造的具有局部色調(diào)變化的掃描小雕像示例。A) 帶有紋理的網(wǎng)格文件。B) 使用軟木填充材料打印的作品。C) 使用軟木填充材料打印的另一個作品，但亮度值相反。D) 使用木材填充材料打印的作品。E) 使用綠色LW-PLA材料打印的作品。

創(chuàng)新技術(shù)：利用噴嘴速度控制材料特性


△ Speed-Modulated Ironing技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)的對比。

為實現(xiàn)多色或多紋理打印，傳統(tǒng)的多噴嘴3D打印機(jī)需要在不同噴嘴之間切換，其中每個噴嘴負(fù)責(zé)不同的材料，這不僅增加了打印時間和材料浪費，而且各材料之間的過渡也較為生硬，無法實現(xiàn)細(xì)膩的漸變效果。

為了解決這些問題，研究團(tuán)隊開發(fā)了Speed-Modulated Ironing技術(shù)。該技術(shù)使用標(biāo)準(zhǔn)的雙噴嘴3D打印機(jī)，無需任何硬件修改，其中第一個噴嘴負(fù)責(zé)以恒定溫度熔化并沉積含熱敏活性成分的單一聚合物材料；第二個噴嘴不擠出任何材料，而是以不同的速度在已打印的材料表面上來回滑動。通過控制第二個噴嘴的移動速度，研究人員能夠精確調(diào)節(jié)材料所受熱量，從而細(xì)致地控制熱響應(yīng)性線材的顏色、陰影和粗糙度。MIT機(jī)械工程研究生Marwa AlAlawi表示：“當(dāng)調(diào)節(jié)噴嘴速度時，被熨燙的打印層可以達(dá)到不同的溫度。這類似于將手指在火焰上移動，如果快速移動，可能不會被燙傷，但如果慢慢劃過，手指就會達(dá)到更高的溫度�！�

模型預(yù)測與用戶界面：簡化復(fù)雜過程


△ Speed-Modulated Ironing技術(shù)的工作流。

為實現(xiàn)對材料特性的精確控制，研究團(tuán)隊開發(fā)了理論模型，可根據(jù)第二個噴嘴的速度預(yù)測其傳遞給材料的熱量。該模型將材料的輸出溫度與熱響應(yīng)特性相關(guān)聯(lián)，確定實現(xiàn)特定顏色、陰影或紋理所需的精確噴嘴速度。由于影響結(jié)果的因素眾多，如風(fēng)扇散熱、室內(nèi)溫度等，研究團(tuán)隊深入研究了科學(xué)文獻(xiàn)，確定了一系列獨特材料的適當(dāng)傳熱系數(shù)，并納入模型中。


△ Speed-Modulated Ironing技術(shù)的用戶界面和操作流程。

為使這一復(fù)雜過程更加用戶友好，研究人員將模型集成到一個簡潔的用戶界面中。該界面基于Rhino Grasshopper設(shè)計，用戶可以選擇預(yù)設(shè)的材料設(shè)置，或在高級模式下自定義設(shè)置。工具能夠自動將3D模型中的像素轉(zhuǎn)化為機(jī)器指令，控制雙噴嘴的打印和熨燙速度，實現(xiàn)所需的顏色、陰影和紋理效果。

多樣化材料測試與實際應(yīng)用


△ 通過調(diào)節(jié)第二個噴嘴的速度，研究人員可以改變材料的色調(diào)，從而創(chuàng)建具有復(fù)雜圖案的物體。

研究團(tuán)隊使用了三種熱響應(yīng)材料進(jìn)行測試：

● 發(fā)泡聚合物：受熱時顆粒膨脹，使打印的聚合物在不透明和半透明之間變化，觸感也隨之改變，可用于打印具有不透明圖案和半透明背景的物體，例如水瓶和在不同區(qū)域具有不同粗糙度的自行車手柄。
● 木纖維填充材料: 受熱炭化后顏色逐漸變深。
● 軟木纖維填充材料: 與木纖維填充材料類似，受熱炭化后顏色逐漸變深。


△ 使用黑色LW-PLA材料制造的自行車把手，通過Speed-Modulated Ironing技術(shù)改變抓握的粗糙度。


△ 使用自然色LW-PLA材料打印的液體容器。

利用這些材料，研究人員進(jìn)行了多種實際應(yīng)用測試：

● 在低速下熨燙發(fā)泡聚合物以創(chuàng)建不透明區(qū)域，在高速下熨燙以創(chuàng)建半透明區(qū)域，打印出了具有部分透明效果的水瓶。
● 制作了具有不同粗糙度的自行車手柄，以提高騎手的抓握力。
● 展示了在打印件上應(yīng)用高分辨率圖像和紋理漸變的能力。

與傳統(tǒng)的多材料3D打印相比，Speed-Modulated Ironing技術(shù)不僅大幅減少了打印時間和材料消耗，還能夠?qū)崿F(xiàn)其他方法無法達(dá)到的精細(xì)陰影和紋理漸變。

未來展望：拓展材料與功能

項目的主要作者之一Mustafa Doga Dogan表示：“如今利用傳統(tǒng)桌面打印機(jī)，人們可以通過巧妙組合幾種墨水生成各種陰影和紋理。我們希望用3D打印機(jī)做到同樣的事情——使用有限的材料，為3D打印對象創(chuàng)造更加多樣化的特性�！�

展望未來，研究人員希望試驗其他熱響應(yīng)材料，例如塑料等，以擴(kuò)展可打印材料的種類。研究團(tuán)隊還計劃探索利用Speed-Modulated Ironing技術(shù)來修改某些材料的機(jī)械和聲學(xué)特性，為3D打印在更多領(lǐng)域的應(yīng)用打開新局面。

學(xué)術(shù)交流與合作：共同推進(jìn)技術(shù)發(fā)展


△ MIT團(tuán)隊的主要成員：Stefanie Mueller（左）和Marwa AlAlawi（右）。


△ TU Delft團(tuán)隊的主要成員：Zjenja Doubrovski（左）和Mehmet Ozdemir（右）。

該研究項目是MIT電子工程與計算機(jī)科學(xué)系（EECS）TIBCO職業(yè)發(fā)展教授Stefanie Mueller和TU Delft助理教授Zjenja Doubrovski的研究團(tuán)隊之間的合作成果。團(tuán)隊成員包括TU Delft的Mehmet Ozdemir（主要作者）、MIT的機(jī)械工程研究生Marwa AlAlawi以及TU Delft的Jose Martinez Castro。相關(guān)研究成果將在ACM用戶界面軟件與技術(shù)研討會（ACM Symposium on User Interface Software and Technology）上發(fā)布。

Speed-Modulated Ironing技術(shù)代表了3D打印領(lǐng)域邁向更通用、更具表現(xiàn)力和更可持續(xù)發(fā)展的重要一步。通過這種創(chuàng)新技術(shù)，3D打印機(jī)能夠在不增加硬件成本的情況下實現(xiàn)單材料的多屬性打印，為未來高效、高質(zhì)量的3D打印應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。