MIT與TU Delft合作開發熱響應3D打印新技術，實現單步多色多紋理打印
時間：2024-10-12 09:21 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
2024年10月12日，麻省理工學院 (MIT) 和代爾夫特理工大學 (TU Delft) 的研究人員利用熱響應材料開發了一種更高效、更低損耗、更高精度的3D打印技術，可在單步打印過程中實現多種顏色、陰影和紋理。
這項技術名為“速度調制熨燙”，采用雙噴嘴3D打印機。第一個噴嘴沉積熱響應性線材，第二個噴嘴通過加熱激活已打印材料的特定反應，例如改變透明度或粗糙度。通過控制第二個噴嘴的速度，研究人員可以將材料加熱到特定溫度，從而精確調節熱響應性線材的顏色、陰影和粗糙度。重要的是，這種方法無需任何硬件修改。研究人員開發了一個模型，可以根據“熨燙”噴嘴的速度預測其傳遞給材料的熱量，并以此模型為基礎構建了一個用戶界面，可自動生成打印指令，以達到預設的顏色、陰影和紋理規格。利用速度調制熨燙技術，可以改變打印對象的色彩來創造藝術效果，還可以制作紋理手柄，方便手部力量較弱的人抓握。研究論文的作者Mustafa Doğa Doğan表示：“如今，利用桌面打印機可以巧妙地組合幾種墨水來生成各種陰影和紋理。我們希望能夠用3D打印機實現使用有限的材料為3D打印對象創造更多樣化的特性。”
該項目是TU Delft助理教授Zjenja Doubrovski和MIT電子工程與計算機科學系 (EECS) 的TIBCO職業發展教授Stefanie Mueller的研究小組合作完成的。Mueller同時也是MIT計算機科學與人工智能實驗室 (CSAIL) 的成員。Doğan與TU Delft的主要作者Mehmet Ozdemir、MIT機械工程研究生Marwa AlAlawi以及TU Delft的Jose Martinez Castro密切合作。這項研究成果將在ACM用戶界面軟件和技術研討會上發表。
調制速度以控制溫度
研究人員啟動項目旨在探索用單一材料實現多屬性3D打印的更好方法。使用熱響應性線材很有前景，但大多數現有方法都使用單噴嘴進行打印和加熱。打印機總是需要先將噴嘴加熱到所需的設定溫度，然后再沉積材料。然而，噴嘴的加熱和冷卻需要很長時間，并且存在線材在噴嘴內達到較高溫度時可能降解的風險。為了避免這些問題，團隊開發了一種熨燙技術，使用一個噴嘴打印材料，然后由第二個空噴嘴對其進行再加熱激活。研究人員沒有通過調節溫度來觸發材料反應，而是保持第二個噴嘴的溫度恒定，并改變在打印材料上移動的速度——輕輕接觸打印層頂部。AlAlawi表示：“當我們調制速度時，就可以讓正在熨燙的打印層達到不同的溫度。這類似于將手指放在火焰上移動。如果快速移動，可能不會被灼傷；但如果緩慢地劃過火焰，手指就會達到更高的溫度。”
MIT團隊與TU Delft的研究人員合作開發了理論模型，該模型可以預測第二個噴嘴必須以多快的速度移動才能將材料加熱到特定溫度。該模型將材料的輸出溫度與其熱響應特性相關聯，以確定能夠在打印對象中實現特定顏色、陰影或紋理的精確噴嘴速度。AlAlawi表示：“有很多輸入因素會影響結果。我們正在建模非常復雜的東西，但也要確保結果的精細度。”團隊進行了深入研究，以確定一組獨特材料的適當傳熱系數，并將其納入模型。研究團隊還必須應對一系列不可預測的變量，例如風扇散發的熱量以及打印對象所在房間的空氣溫度。他們將該模型整合到一個用戶友好的界面中，簡化了科學流程，可自動將制造商3D模型中的像素轉換為一組機器指令，控制雙噴嘴打印和熨燙對象的速度。
更快、更精細的制造
研究人員使用三種熱響應性線材進行了測試。第一種是發泡聚合物，其中的顆粒受熱后會膨脹，產生不同的陰影、透明度和紋理；還測試了填充木纖維和軟木纖維的線材，這兩種線材都可以炭化以產生越來越深的陰影。研究人員展示了生產部分透明的物體如水瓶的方法：以低速熨燙發泡聚合物以創建不透明區域，并以高速熨燙以創建半透明區域；還利用發泡聚合物制作了具有不同粗糙度的自行車手柄，以提高騎手的抓地力。
使用傳統的多材料3D打印技術來生產類似的物體需要更長的時間（有時會給打印過程增加數小時），并且會消耗更多的能源和材料。此外，速度調制熨燙可以產生其他方法無法實現的精細陰影和紋理漸變。未來，研究人員希望試驗其他熱響應材料，例如塑料；還希望探索使用速度調制熨燙來改變某些材料的機械和聲學特性。
這項技術名為“速度調制熨燙”，采用雙噴嘴3D打印機。第一個噴嘴沉積熱響應性線材，第二個噴嘴通過加熱激活已打印材料的特定反應，例如改變透明度或粗糙度。通過控制第二個噴嘴的速度，研究人員可以將材料加熱到特定溫度，從而精確調節熱響應性線材的顏色、陰影和粗糙度。重要的是，這種方法無需任何硬件修改。研究人員開發了一個模型，可以根據“熨燙”噴嘴的速度預測其傳遞給材料的熱量，并以此模型為基礎構建了一個用戶界面，可自動生成打印指令，以達到預設的顏色、陰影和紋理規格。利用速度調制熨燙技術，可以改變打印對象的色彩來創造藝術效果，還可以制作紋理手柄，方便手部力量較弱的人抓握。研究論文的作者Mustafa Doğa Doğan表示：“如今，利用桌面打印機可以巧妙地組合幾種墨水來生成各種陰影和紋理。我們希望能夠用3D打印機實現使用有限的材料為3D打印對象創造更多樣化的特性。”
該項目是TU Delft助理教授Zjenja Doubrovski和MIT電子工程與計算機科學系 (EECS) 的TIBCO職業發展教授Stefanie Mueller的研究小組合作完成的。Mueller同時也是MIT計算機科學與人工智能實驗室 (CSAIL) 的成員。Doğan與TU Delft的主要作者Mehmet Ozdemir、MIT機械工程研究生Marwa AlAlawi以及TU Delft的Jose Martinez Castro密切合作。這項研究成果將在ACM用戶界面軟件和技術研討會上發表。
調制速度以控制溫度
研究人員啟動項目旨在探索用單一材料實現多屬性3D打印的更好方法。使用熱響應性線材很有前景，但大多數現有方法都使用單噴嘴進行打印和加熱。打印機總是需要先將噴嘴加熱到所需的設定溫度，然后再沉積材料。然而，噴嘴的加熱和冷卻需要很長時間，并且存在線材在噴嘴內達到較高溫度時可能降解的風險。為了避免這些問題，團隊開發了一種熨燙技術，使用一個噴嘴打印材料，然后由第二個空噴嘴對其進行再加熱激活。研究人員沒有通過調節溫度來觸發材料反應，而是保持第二個噴嘴的溫度恒定，并改變在打印材料上移動的速度——輕輕接觸打印層頂部。AlAlawi表示：“當我們調制速度時，就可以讓正在熨燙的打印層達到不同的溫度。這類似于將手指放在火焰上移動。如果快速移動，可能不會被灼傷；但如果緩慢地劃過火焰，手指就會達到更高的溫度。”
MIT團隊與TU Delft的研究人員合作開發了理論模型，該模型可以預測第二個噴嘴必須以多快的速度移動才能將材料加熱到特定溫度。該模型將材料的輸出溫度與其熱響應特性相關聯，以確定能夠在打印對象中實現特定顏色、陰影或紋理的精確噴嘴速度。AlAlawi表示：“有很多輸入因素會影響結果。我們正在建模非常復雜的東西，但也要確保結果的精細度。”團隊進行了深入研究，以確定一組獨特材料的適當傳熱系數，并將其納入模型。研究團隊還必須應對一系列不可預測的變量，例如風扇散發的熱量以及打印對象所在房間的空氣溫度。他們將該模型整合到一個用戶友好的界面中，簡化了科學流程，可自動將制造商3D模型中的像素轉換為一組機器指令，控制雙噴嘴打印和熨燙對象的速度。
更快、更精細的制造
研究人員使用三種熱響應性線材進行了測試。第一種是發泡聚合物，其中的顆粒受熱后會膨脹，產生不同的陰影、透明度和紋理；還測試了填充木纖維和軟木纖維的線材，這兩種線材都可以炭化以產生越來越深的陰影。研究人員展示了生產部分透明的物體如水瓶的方法：以低速熨燙發泡聚合物以創建不透明區域，并以高速熨燙以創建半透明區域；還利用發泡聚合物制作了具有不同粗糙度的自行車手柄，以提高騎手的抓地力。
使用傳統的多材料3D打印技術來生產類似的物體需要更長的時間（有時會給打印過程增加數小時），并且會消耗更多的能源和材料。此外，速度調制熨燙可以產生其他方法無法實現的精細陰影和紋理漸變。未來，研究人員希望試驗其他熱響應材料，例如塑料；還希望探索使用速度調制熨燙來改變某些材料的機械和聲學特性。
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