多材料 3D 打印使制造商能够制造具有多种颜色和不同纹理的定制设备。但这个过程可能既耗时又浪费，因为现有的 3D 打印机必须在多个喷嘴之间切换，通常会在开始沉积另一种材料之前丢弃一种材料。

麻省理工学院和代尔夫特理工大学的研究人员现在推出了一种更高效、更少浪费、更高精度的技术，利用热响应材料一步打印具有多种颜色、色调和纹理的物体。

他们的方法称为调速熨烫，采用双熨斗喷嘴3D打印机。第一个喷嘴沉积热响应细丝，第二个喷嘴经过打印材料以利用热量激活某些响应，例如不透明度或粗糙度的变化。

通过控制第二个喷嘴的速度，研究人员可以将材料加热到特定温度，从而微调热响应丝的颜色、色调和粗糙度。重要的是，这种方法不需要任何硬件修改。

研究人员开发了一个模型，可以根据“熨烫”喷嘴的速度预测其传递到材料的热量。他们使用这个模型作为基础用户界面自动生成实现颜色、色调和纹理规格的打印指令。

人们可以使用调速熨烫，通过改变印刷物体上的颜色来创造艺术效果。该技术还可以生产出有纹理的手柄，对于手部无力的人来说更容易抓握。

“如今，我们的桌面打印机使用几种墨水的智能组合来生成一系列色调和纹理。我们希望能够使用 3D 打印机做同样的事情——使用一组有限的材料来创建一个3D 打印物体具有更加多样化的特征，”Mustafa Doäa Doäan 博士说道。'24，合著者纸调速熨烫。

该项目是代尔夫特理工大学助理教授 Zjenja Doubrovski 和麻省理工学院电气工程与计算机科学系 (EECS) TIBCO 职业发展教授、麻省理工学院计算机科学系成员 Stefanie Mueller 研究小组之间的合作项目和人工智能实验室（CSAIL）。

Doäan 与代尔夫特理工大学的主要作者 Mehmet Ozdemir 密切合作；Marwa AlAlawi，麻省理工学院机械工程研究生；和代尔夫特理工大学的何塞·马丁内斯·卡斯特罗。该研究将在 ACM 用户界面软件和技术研讨会上展示（尤尼斯特大学 2024）于 10 月 13 日至 16 日在匹兹堡举行。

调节速度来控制温度

研究人员启动该项目旨在探索用单一材料实现多属性3D打印的更好方法。热响应丝的使用很有前景，但大多数现有方法使用单个喷嘴进行打印和加热。在沉积材料之前，打印机始终需要首先将喷嘴加热到所需的目标温度。

然而，加热和冷却喷嘴需要很长时间，并且存在喷嘴中的灯丝在达到较高温度时可能降解的危险。

为了防止这些问题，该团队开发了一种熨烫技术，使用一个喷嘴打印材料，然后由第二个空喷嘴激活，仅重新加热材料。研究人员没有调整温度来触发材料响应，而是保持第二个喷嘴的温度恒定，并改变它在打印材料上移动的速度，稍微接触层的顶部。

“当我们调节速度时，我们正在熨烫的印刷层可以达到不同的温度。这类似于你在火焰上移动手指时发生的情况。如果你快速移动它，你可能不会被烧伤，但如果你慢慢地将它拖过火焰，你的手指会达到更高的温度，”AlAlawi 说。

麻省理工学院的团队与代尔夫特理工大学的研究人员合作开发了一个理论模型，该模型可以预测第二个喷嘴必须移动多快才能将材料加热到特定温度。

该模型将材料的输出温度与其热响应特性相关联，以确定精确的喷嘴速度，从而在打印对象中实现某些颜色、色调或纹理。

“有很多输入会影响我们得到的结果。我们正在对非常复杂的东西进行建模，但我们也希望确保结果是细粒度的，”AlAlawi 说。

团队深入挖掘科学文献确定一组独特材料的适当传热系数，并将其构建到模型中。他们还必须应对一系列不可预测的变量，例如风扇和空气可能散发的热量温度在打印物体的房间里。

他们将该模型融入用户友好的界面中，简化了科学流程，自动将制造商 3D 模型中的像素转换为一组机器指令，控制双喷嘴打印和熨烫物体的速度。

更快、更精细的制造

他们用三种热响应丝测试了他们的方法。第一种是泡沫聚合物，其颗粒在加热时会膨胀，产生不同的色调、半透明度和纹理。他们还尝试了一种填充木纤维的长丝和一种填充软木纤维的长丝，这两种材料都可以被烧焦以产生越来越暗的色调。

研究人员展示了他们的方法如何生产半透明的水瓶等物体。为了制造水瓶，他们以低速熨烫发泡聚合物以形成不透明区域，并以较高速度熨烫以形成半透明区域。他们还利用发泡聚合物制造了具有不同粗糙度的自行车把手，以改善骑手的抓地力。

尝试使用传统的多材料 3D 打印来生产类似的物体需要花费更多的时间，有时甚至会增加打印过程的时间，并且消耗更多的能源和材料。此外，调速熨烫可以产生其他方法无法实现的细粒度色调和纹理渐变。

未来，研究人员希望尝试其他热响应材料，例如塑料。他们还希望探索使用调速熨烫来改变某些材料的机械和声学性能。

这个故事由麻省理工学院新闻转载（web.mit.edu/新闻办公室/），一个热门网站，涵盖有关麻省理工学院研究、创新和教学的新闻。