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

2024年10月12日，南極熊獲悉，麻省理工學院 (MIT) 和荷蘭代爾夫特理工大學 (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。該技術利用熱響應材料，采用雙噴嘴3D打印機，能夠在單次打印過程中實現物體的多種顏色、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打印領域帶來了新的可能性。


△ 使用Speed-Modulated Ironing技術處理并制造的具有局部色調變化的掃描小雕像示例。A) 帶有紋理的網格文件。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：利用噴嘴速度控制材料特性


△ Speed-Modulated Ironing技術與傳統技術的對比。

為實現多色或多紋理打印，傳統的多噴嘴3D打印機需要在不同噴嘴之間切換，其中每個噴嘴負責不同的材料，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，無法實現細膩的漸變效果。

為了解決這些問題，研究團隊開發(fā)了Speed-Modulated Ironing技術。該技術使用標準的雙噴嘴3D打印機，無需任何硬件修改，其中第一個噴嘴負責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節(jié)材料所受熱量，從而細致地控制熱響應性線材的顏色、陰影和粗糙度。MIT機械工程研究生Marwa AlAlawi表示：“當調節(jié)噴嘴速度時，被熨燙的打印層可以達到不同的溫度。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，手指就會達到更高的溫度�！�

模型預測與用戶界面：簡化復雜過程


△ Speed-Modulated Ironing技術的工作流。

為實現對材料特性的精確控制，研究團隊開發(fā)了理論模型，可根據第二個噴嘴的速度預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特性相關聯，確定實現特定顏色、陰影或紋理所需的精確噴嘴速度。由于影響結果的因素眾多，如風扇散熱、室內溫度等，研究團隊深入研究了科學文獻，確定了一系列獨特材料的適當傳熱系數，并納入模型中。


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

為使這一復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設計，用戶可以選擇預設的材料設置，或在高級模式下自定義設置。工具能夠自動將3D模型中的像素轉化為機器指令，控制雙噴嘴的打印和熨燙速度，實現所需的顏色、陰影和紋理效果。

多樣化材料測試與實際應用


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

研究團隊使用了三種熱響應材料進行測試：

● 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，研究人員進行了多種實際應用測試：

● 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用高分辨率圖像和紋理漸變的能力。

與傳統的多材料3D打印相比，Speed-Modulated Ironing技術不僅大幅減少了打印時間和材料消耗，還能夠實現其他方法無法達到的精細陰影和紋理漸變。

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：“如今利用傳統桌面打印機，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材料，例如塑料等，以擴展可打印材料的種類。研究團隊還計劃探索利用Speed-Modulated Ironing技術來修改某些材料的機械和聲學特性，為3D打印在更多領域的應用打開新局面。

學術交流與合作：共同推進技術發(fā)展


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


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

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

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