マルチマテリアル 3D プリンティングにより、メーカーは複数の色とさまざまなテクスチャを備えたカスタマイズされたデバイスを製造できます。しかし、既存の 3D プリンタでは複数のノズルを切り替える必要があり、別の材料の堆積を開始する前に 1 つの材料を廃棄することがよくあるため、このプロセスは時間がかかり無駄が多い可能性があります。

MIT とデルフト工科大学の研究者らは、熱反応性材料を利用して複数の色、色合い、テクスチャを持つオブジェクトを 1 ステップで印刷する、より効率的で無駄が少なく、高精度な技術を導入しました。

速度調整アイロンと呼ばれる彼らの方法では、二重のノズル3Dプリンター。最初のノズルは熱応答性フィラメントを堆積し、2 番目のノズルは印刷物の上を通過して、熱を使用して不透明度や粗さの変化などの特定の応答を活性化します。

2 番目のノズルの速度を制御することで、研究者は材料を特定の温度に加熱し、熱反応性フィラメントの色、色合い、粗さを微調整することができます。重要なのは、この方法ではハードウェアの変更が必要ないことです。

研究者らは、「アイロン」ノズルがその速度に基づいて素材に伝達する熱量を予測するモデルを開発した。彼らはこのモデルを基礎として使用しました。ユーザーインターフェース色、色合い、質感の仕様を実現する印刷指示を自動的に生成します。

速度を調整したアイロンがけを使用すると、印刷物の色を変えることで芸術的な効果を生み出すことができます。この技術により、手の力が弱い人でも握りやすいテクスチャー加工されたハンドルも作成できる可能性があります。

「現在、いくつかのインクを賢く組み合わせてさまざまな色合いやテクスチャを生成するデスクトップ プリンターがあります。私たちは、同じことを 3D プリンターでも実行できるようにしたいと考えています。限られたマテリアル セットを使用して、3D プリントされたオブジェクトの特性はさらに多様になります」とムスタファ・ドアー・ドアン博士は言います。'24、共著者紙速度調整されたアイロンがけについて。

このプロジェクトは、デルフト工科大学の助教授であるジェニャ・ドゥブロフスキー氏と、MIT 電気工学・コンピュータサイエンス学部 (EECS) の TIBCO キャリア開発教授であり、MIT コンピュータサイエンスのメンバーであるステファニー・ミューラー氏の研究グループの共同研究です。および人工知能研究所 (CSAIL)。

ドーアンは、筆頭著者であるデルフト工科大学のメフメット・オズデミールと緊密に協力しました。マルワ・アルアラウィ氏、マサチューセッツ工科大学の機械工学大学院生。そしてデルフト工科大学のホセ・マルティネス・カストロ氏。この研究は、ユーザー インターフェイス ソフトウェアとテクノロジーに関する ACM シンポジウムで発表されます (ユニスト2024）10月13日から16日までピッツバーグで開催。

速度を調整して温度を制御する

研究者らは、単一の材料でマルチプロパティ 3D プリンティングを実現するより良い方法を模索するためにプロジェクトを立ち上げました。熱応答性フィラメントの使用は有望でしたが、既存の方法のほとんどは単一のノズルを使用して印刷と加熱を行っています。プリンターは常に、材料を堆積する前に、まずノズルを希望の目標温度まで加熱する必要があります。

しかし、ノズルの加熱と冷却には時間がかかり、ノズル内のフィラメントが高温になることで劣化する危険性があります。

これらの問題を防ぐために、チームは 1 つのノズルを使用して素材を印刷し、その後、再加熱するだけの 2 番目の空のノズルで作動させるアイロン技術を開発しました。研究者らは、温度を調整して材料の反応を引き起こすのではなく、2番目のノズルの温度を一定に保ち、ノズルが印刷材料上を移動する速度を変化させ、層の上部にわずかに触れさせます。

「速度を調整すると、アイロンをかけている印刷層がさまざまな温度に達するようになります。これは、炎の上で指を動かした場合に起こることと似ています。指を素早く動かせば火傷しないかもしれませんが、もし指を動かした場合、炎の上でゆっくりとドラッグすると、指の温度が高くなります」とアルアラウィ氏は言います。

MIT チームはデルフト工科大学の研究者と協力して、材料を特定の温度まで加熱するために 2 番目のノズルがどのくらいの速度で移動する必要があるかを予測する理論モデルを開発しました。

このモデルは、材料の出力温度とその熱応答特性を相関させて、印刷オブジェクトの特定の色、色合い、またはテクスチャを実現する正確なノズル速度を決定します。

「得られる結果に影響を与える可能性のある入力は多数あります。私たちは非常に複雑なものをモデル化していますが、結果がきめ細かいものであることも確認したいと考えています」と AlAlawi 氏は言います。

チームは詳しく調べました科学文献独自の材料セットの適切な熱伝達係数を決定し、モデルに組み込みました。また、ファンや空気によって放散される可能性のある熱など、さまざまな予測不可能な変数にも対処する必要がありました。温度オブジェクトが印刷されている部屋で。

彼らは、科学的プロセスを簡素化するユーザーフレンドリーなインターフェイスにモデルを組み込み、メーカーの 3D モデル内のピクセルを、デュアル ノズルによるオブジェクトの印刷とアイロンがけの速度を制御する一連の機械命令に自動的に変換しました。

より速く、より精細な加工を実現

彼らは、3 つの熱応答性フィラメントを使用してアプローチをテストしました。1 つ目は、加熱すると膨張する粒子を含む発泡ポリマーで、さまざまな色合い、半透明、質感を生み出します。彼らはまた、木の繊維を詰めたフィラメントとコルクの繊維を詰めたフィラメントを実験しました。どちらも焦がして、より濃い色合いを作り出すことができます。

研究者らは、自分たちの方法で部分的に半透明の水筒のような物体をどのように生成できるかを実証しました。ウォーターボトルを作るために、発泡ポリマーに低速でアイロンをかけて不透明な領域を作り、高速でアイロンをかけて半透明の領域を作りました。彼らはまた、ライダーのグリップを向上させるために、発泡ポリマーを利用して、さまざまな粗さの自転車ハンドルを製造しました。

従来のマルチマテリアル 3D プリンティングを使用して同様のオブジェクトを作成しようとすると、はるかに時間がかかり、場合によってはプリンティング プロセスに何時間もかかり、より多くのエネルギーと材料を消費します。さらに、速度を調整したアイロンがけは、他の方法では実現できなかった、きめの細かい色合いや質感のグラデーションを生み出すことができます。

研究者らは将来的に、プラスチックなどの他の熱応答性材料を実験したいと考えている。彼らはまた、特定の材料の機械的および音響的特性を変更するために、速度を調整したアイロンがけの使用を検討したいと考えています。

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