MIT與TU Delft合作開發(fā)熱響應(yīng)3D打印新技術(shù),，實(shí)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(shí)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(fèi)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(gè)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(duì)比,。

為實(shí)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(gè)噴嘴負(fù)責(zé)不同的材料,，這不僅增加了打印時(shí)間和材料浪費(fèi),，而且各材料之間的過渡也較為生硬，無法實(shí)現(xiàn)細(xì)膩的漸變效果,。

為了解決這些問題，研究團(tuán)隊(duì)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(gè)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(gè)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(dòng)。通過控制第二個(gè)噴嘴的移動(dòng)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(shí),，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(dòng),，如果快速移動(dòng),，可能不會(huì)被燙傷，但如果慢慢劃過,，手指就會(huì)達(dá)到更高的溫度,。”

模型預(yù)測(cè)與用戶界面：簡(jiǎn)化復(fù)雜過程


△ Speed-Modulated Ironing技術(shù)的工作流,。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)材料特性的精確控制,，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了理論模型，可根據(jù)第二個(gè)噴嘴的速度預(yù)測(cè)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(shí)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(duì)深入研究了科學(xué)文獻(xiàn),，確定了一系列獨(dú)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(gè)簡(jiǎn)潔的用戶界面中。該界面基于Rhino Grasshopper設(shè)計(jì),，用戶可以選擇預(yù)設(shè)的材料設(shè)置,，或在高級(jí)模式下自定義設(shè)置。工具能夠自動(dòng)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(shí)現(xiàn)所需的顏色、陰影和紋理效果,。

多樣化材料測(cè)試與實(shí)際應(yīng)用


△ 通過調(diào)節(jié)第二個(gè)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(duì)使用了三種熱響應(yīng)材料進(jìn)行測(cè)試：

● 發(fā)泡聚合物：受熱時(shí)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(shí)際應(yīng)用測(cè)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(shí)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(xiàng)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(duì)象創(chuàng)造更加多樣化的特性,�,！�

展望未來，研究人員希望試驗(yàn)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(duì)還計(jì)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(duì)的主要成員：Stefanie Mueller（左）和Marwa AlAlawi（右）。


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

該研究項(xiàng)目是MIT電子工程與計(jì)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(duì)之間的合作成果,。團(tuán)隊(duì)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(huì)（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(shí)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)。