多材料 3D 列印使製造商能夠製造具有多種顏色和不同紋理的客製化設備。但這個過程可能既耗時又浪費，因為現有的 3D 列印機必須在多個噴嘴之間切換，通常會在開始沉積另一種材料之前丟棄一種材料。

麻省理工學院和代爾夫特理工大學的研究人員現在推出了一種更有效率、更少浪費、更高精度的技術，利用熱響應材料一步列印具有多種顏色、色調和紋理的物體。

他們的方法稱為調速熨燙，採用雙熨斗噴嘴3D列印機。第一個噴嘴沉積熱響應細絲，第二個噴嘴經過列印材料以利用熱量來啟動某些響應，例如不透明度或粗糙度的變化。

透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，從而微調熱響應絲的顏色、色調和粗糙度。重要的是，這種方法不需要任何硬體修改。

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到材料的熱量。他們使用這個模型作為基礎使用者介面自動產生實現顏色、色調和紋理規格的列印指令。

人們可以使用調速熨燙，透過改變印刷物體上的顏色來創造藝術效果。該技術還可以生產出有紋理的手柄，對於手部無力的人來說更容易抓握。

「如今，我們的桌上型印表機使用幾種墨水的智慧組合來產生一系列色調和紋理。我們希望能夠使用 3D 列印機做同樣的事情——使用一組有限的材料來創建一個3D 列印物件具有更加多樣化的特徵，」Mustafa Doäa Doäan 博士說。'24，合著者紙調速熨燙。

該計畫是代爾夫特理工大學助理教授 Zjenja Doubrovski 和麻省理工學院電機工程與電腦科學系 (EECS) TIBCO 職業發展教授、麻省理工學院電腦科學系成員 Stefanie Mueller 研究小組之間的合作計畫和人工智慧實驗室（CSAIL）。

Doäan 與代爾夫特理工大學的主要作者 Mehmet Ozdemir 密切合作；Marwa AlAlawi，麻省理工學院機械工程研究生；和代爾夫特理工大學的何塞·馬丁內斯·卡斯特羅。該研究將在 ACM 使用者介面軟體和技術研討會上展示（尤尼斯特大學 2024）於 10 月 13 日至 16 日在匹茲堡舉行。

調節速度來控制溫度

研究人員啟動該計畫旨在探索以單一材料實現多屬性3D列印的更好方法。熱響應絲的使用很有前景，但大多數現有方法使用單一噴嘴進行列印和加熱。在沉積材料之前，印表機始終需要先將噴嘴加熱到所需的目標溫度。

然而，加熱和冷卻噴嘴需要很長時間，並且存在噴嘴中的燈絲在達到較高溫度時可能降解的危險。

為了防止這些問題，該團隊開發了一種熨燙技術，使用一個噴嘴列印材料，然後由第二個空噴嘴激活，僅重新加熱材料。研究人員沒有調整溫度來觸發材料響應，而是保持第二個噴嘴的溫度恆定，並改變它在列印材料上移動的速度，稍微接觸層的頂部。

「當我們調節速度時，我們正在熨燙的印刷層可以達到不同的溫度。這類似於你在火焰上移動手指時發生的情況。如果你快速移動它，你可能不會被燒傷，但如果你慢慢地將它拖過火焰，你的手指會達到更高的溫度，」AlAlawi 說。

麻省理工學院的團隊與代爾夫特理工大學的研究人員合作開發了一個理論模型，該模型可以預測第二個噴嘴必須移動多快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，以確定精確的噴嘴速度，從而在列印物件中實現某些顏色、色調或紋理。

「有很多輸入會影響我們得到的結果。我們正在對非常複雜的東西進行建模，但我們也希望確保結果是細粒度的，」AlAlawi 說。

團隊深入挖掘科學文獻確定一組獨特材料的適當傳熱係數，並將其建構到模型中。他們還必須應對一系列不可預測的變量，例如風扇和空氣可能散發的熱量溫度在列印物體的房間裡。

他們將此模型融入用戶友好的介面中，簡化了科學流程，自動將製造商 3D 模型中的像素轉換為一組機器指令，控制雙噴嘴列印和熨燙物體的速度。

更快、更精細的製造

他們用三種熱響應絲測試了他們的方法。第一種是泡沫聚合物，其顆粒在加熱時會膨脹，產生不同的色調、半透明度和紋理。他們還嘗試了一種填充木纖維的長絲和一種填充軟木纖維的長絲，這兩種材料都可以被燒焦以產生越來越暗的色調。

研究人員展示了他們的方法如何生產半透明的水瓶等物體。為了製造水瓶，他們以低速熨燙發泡聚合物以形成不透明區域，並以較高速度熨燙以形成半透明區域。他們還利用發泡聚合物製造了具有不同粗糙度的自行車把手，以改善騎士的抓地力。

嘗試使用傳統的多材料 3D 列印來生產類似的物件需要花費更多的時間，有時甚至會增加列印過程的時間，並且消耗更多的能源和材料。此外，調速熨燙可以產生其他方法無法實現的細粒度色調和紋理漸層。

未來，研究人員希望嘗試其他熱響應材料，例如塑膠。他們還希望探索使用調速熨燙來改變某些材料的機械和聲學性能。

這個故事由麻省理工學院新聞轉載（web.mit.edu/新聞辦公室/），一個熱門網站，涵蓋有關麻省理工學院研究、創新和教學的新聞。