Используя 3D-принтер, как утюг, исследователи могут точно контролировать цвет, оттенок и текстуру создаваемых объектов, используя только один материал

Мультиматериальная 3D-печать позволяет производителям изготавливать индивидуальные устройства с несколькими цветами и разнообразными текстурами. Однако этот процесс может занимать много времени и быть расточительным, поскольку существующие 3D-принтеры должны переключаться между несколькими соплами, часто заканчивая с одним материалом, прежде чем начать наносить другой.

Исследователи из Массачусетского технологического института и Делфтского технологического университета представили более эффективную, менее расточительную и высокоточную методику, которая использует теплореагирующие материалы для печати объектов, имеющих несколько цветов, оттенков и текстур за один проход.

В их методе, получившем название «глажка с регулируемой скоростью», используется 3D-принтер с двумя соплами. Первое сопло наносит термореактивную нить, а второе проходит над напечатанным материалом, чтобы активировать определённые реакции, такие как изменение прозрачности или зернистости, с помощью тепла.

Контролируя скорость второго сопла, исследователи могут нагревать материал до определённых температур, тонко настраивая цвет, оттенок и шероховатость термореактивных нитей. Важно, что этот метод не требует никаких аппаратных модификаций.

Исследователи разработали модель, предсказывающую количество тепла, которое «гладильная» насадка передаст материалу в зависимости от её скорости. На основе этой модели был создан пользовательский интерфейс, который автоматически генерирует инструкции для печати, позволяющие достичь спецификаций цвета, оттенка и текстуры.

С помощью глажения с регулировкой скорости можно создавать художественные эффекты, изменяя цвет на напечатанном объекте. Эта техника также позволяет создавать текстурированные ручки, за которые будет легче ухватиться людям со слабыми руками.

«Сегодня у нас есть настольные принтеры, которые используют умную комбинацию нескольких красок для создания различных оттенков и текстур. Мы хотим иметь возможность делать то же самое с 3D-принтером — использовать ограниченный набор материалов для создания гораздо более разнообразных характеристик 3D-печатных объектов», — говорит Мустафа Дога Доган PhD '24, соавтор статьи о глажке с модулируемой скоростью.

Этот проект представляет собой сотрудничество между исследовательскими группами Жени Доубровски, доцента ТУ Делфта, и Стефани Мюллер, профессора по развитию карьеры TIBCO на факультете электротехники и компьютерных наук (EECS) Массачусетского технологического института и сотрудника Лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта (CSAIL) Массачусетского технологического института. Доган работал в тесном сотрудничестве с ведущим автором Мехметом Оздемиром из ТУ Делфта, Марвой Аль-Алави, аспиранткой машиностроительного факультета Массачусетского технологического института, и Хосе Мартинесом Кастро из ТУ Делфта. Исследование будет представлено на симпозиуме ACM по программному обеспечению и технологиям пользовательского интерфейса.

Модуляция скорости для контроля температуры

Исследователи запустили проект, чтобы изучить лучшие способы достижения многофункциональной 3D-печати с помощью одного материала. Использование термореактивных нитей было многообещающим, но в большинстве существующих методов для печати и нагрева используется одно сопло. Перед нанесением материала принтер всегда должен сначала нагреть сопло до нужной температуры.

Однако нагрев и охлаждение сопла занимают много времени, и существует опасность, что филамент в сопле может разрушиться при достижении более высоких температур.

Чтобы предотвратить эти проблемы, команда разработала технику глажения, при которой материал печатается с помощью одной насадки, а затем активируется второй, пустой насадкой, которая только подогревает его. Вместо того чтобы регулировать температуру, чтобы вызвать реакцию материала, исследователи поддерживают постоянную температуру второго сопла и изменяют скорость его перемещения по напечатанному материалу, слегка касаясь верхней части слоя.

«Когда мы регулируем скорость, это позволяет печатному слою, который мы проглаживаем, достигать различных температур. Это похоже на то, что происходит, когда вы проводите пальцем по пламени. Если вы двигаете его быстро, вы можете не обжечься, но если вы проводите им по пламени медленно, ваш палец достигнет более высокой температуры», — говорит Аль-Алави.

Команда Массачусетского технологического института совместно с исследователями из ТУ Делфт разработала теоретическую модель, которая предсказывает, как быстро должно двигаться второе сопло, чтобы нагреть материал до определённой температуры.

Модель соотносит температуру материала на выходе с его теплореагирующими свойствами, чтобы определить точную скорость движения сопла, которая позволит добиться определённых цветов, оттенков или текстур в напечатанном объекте.

«Существует множество исходных данных, которые могут повлиять на результаты, которые мы получим. Мы моделируем что-то очень сложное, но при этом хотим быть уверены, что результаты будут точными», — говорит Аль-Алави.

Команда покопалась в научной литературе, чтобы определить правильные коэффициенты теплопередачи для набора уникальных материалов, которые они встроили в свою модель. Кроме того, им пришлось учитывать множество непредсказуемых переменных, таких как тепло, рассеиваемое вентиляторами, и температура воздуха в помещении, где печатается объект.

Они встроили модель в удобный интерфейс, который упрощает научный процесс, автоматически переводя пиксели 3D-модели в набор машинных инструкций, которые управляют скоростью печати и глажения объекта с помощью двойных сопел.

Более быстрое и тонкое изготовление

Они протестировали свой подход с тремя термореактивными нитями. Первый из них, вспенивающийся полимер с частицами, расширяющимися при нагревании, позволил получить различные оттенки, полупрозрачность и текстуру. Они также экспериментировали с нитью, наполненной древесными волокнами, и нитью с пробковыми волокнами, которые можно обугливать для получения всё более тёмных оттенков.

Исследователи продемонстрировали, как с помощью их метода можно создавать частично прозрачные предметы, например бутылки для воды. Чтобы изготовить бутылки для воды, они гладили вспенивающийся полимер на низкой скорости, чтобы создать непрозрачные участки, и на более высокой скорости, чтобы создать полупрозрачные. Они также использовали вспенивающийся полимер для изготовления велосипедной ручки с различной шероховатостью, чтобы улучшить сцепление с руками.

Попытки изготовить подобные объекты с помощью традиционной многоматериальной 3D-печати занимали гораздо больше времени, иногда добавляя несколько часов к процессу печати, и потребляли больше энергии и материалов. Кроме того, глажка с регулируемой скоростью позволяет создавать тонкие градиенты оттенков и текстур, которых не удаётся достичь другими методами.

В будущем исследователи хотят провести эксперименты с другими термочувствительными материалами, такими как пластик. Они также надеются изучить возможность использования глажения с регулируемой скоростью для изменения механических и акустических свойств некоторых материалов.