MIT与TU Delft合作开发热响应3D打印新技术，实现单步多色多纹理3D打印

2024年10月12日，南极熊获悉，麻省理工学院 (MIT) 和荷兰代尔夫特理工大学 (TU Delft) 的研究人员合作开发了一种名为Speed-Modulated Ironing的新型3D打印技术。该技术利用热响应材料，采用双喷嘴3D打印机，能够在单次打印过程中实现物体的多种颜色、阴影和纹理。这一突破性方法具有更高的效率、更少的浪费和更高的精度，为3D打印领域带来了新的可能性。


△ 使用Speed-Modulated Ironing技术处理并制造的具有局部色调变化的扫描小雕像示例。A) 带有纹理的网格文件。B) 使用软木填充材料打印的作品。C) 使用软木填充材料打印的另一个作品，但亮度值相反。D) 使用木材填充材料打印的作品。E) 使用绿色LW-PLA材料打印的作品。

创新技术：利用喷嘴速度控制材料特性


△ Speed-Modulated Ironing技术与传统技术的对比。

为实现多色或多纹理打印，传统的多喷嘴3D打印机需要在不同喷嘴之间切换，其中每个喷嘴负责不同的材料，这不仅增加了打印时间和材料浪费，而且各材料之间的过渡也较为生硬，无法实现细腻的渐变效果。

为了解决这些问题，研究团队开发了Speed-Modulated Ironing技术。该技术使用标准的双喷嘴3D打印机，无需任何硬件修改，其中第一个喷嘴负责以恒定温度熔化并沉积含热敏活性成分的单一聚合物材料；第二个喷嘴不挤出任何材料，而是以不同的速度在已打印的材料表面上来回滑动。通过控制第二个喷嘴的移动速度，研究人员能够精确调节材料所受热量，从而细致地控制热响应性线材的颜色、阴影和粗糙度。MIT机械工程研究生Marwa AlAlawi表示：“当调节喷嘴速度时，被熨烫的打印层可以达到不同的温度。这类似于将手指在火焰上移动，如果快速移动，可能不会被烫伤，但如果慢慢划过，手指就会达到更高的温度。”

模型预测与用户界面：简化复杂过程


△ Speed-Modulated Ironing技术的工作流。

为实现对材料特性的精确控制，研究团队开发了理论模型，可根据第二个喷嘴的速度预测其传递给材料的热量。该模型将材料的输出温度与热响应特性相关联，确定实现特定颜色、阴影或纹理所需的精确喷嘴速度。由于影响结果的因素众多，如风扇散热、室内温度等，研究团队深入研究了科学文献，确定了一系列独特材料的适当传热系数，并纳入模型中。


△ Speed-Modulated Ironing技术的用户界面和操作流程。

为使这一复杂过程更加用户友好，研究人员将模型集成到一个简洁的用户界面中。该界面基于Rhino Grasshopper设计，用户可以选择预设的材料设置，或在高级模式下自定义设置。工具能够自动将3D模型中的像素转化为机器指令，控制双喷嘴的打印和熨烫速度，实现所需的颜色、阴影和纹理效果。

多样化材料测试与实际应用


△ 通过调节第二个喷嘴的速度，研究人员可以改变材料的色调，从而创建具有复杂图案的物体。

研究团队使用了三种热响应材料进行测试：

● 发泡聚合物：受热时颗粒膨胀，使打印的聚合物在不透明和半透明之间变化，触感也随之改变，可用于打印具有不透明图案和半透明背景的物体，例如水瓶和在不同区域具有不同粗糙度的自行车手柄。
● 木纤维填充材料: 受热炭化后颜色逐渐变深。
● 软木纤维填充材料: 与木纤维填充材料类似，受热炭化后颜色逐渐变深。


△ 使用黑色LW-PLA材料制造的自行车把手，通过Speed-Modulated Ironing技术改变抓握的粗糙度。


△ 使用自然色LW-PLA材料打印的液体容器。

利用这些材料，研究人员进行了多种实际应用测试：

● 在低速下熨烫发泡聚合物以创建不透明区域，在高速下熨烫以创建半透明区域，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车手柄，以提高骑手的抓握力。
● 展示了在打印件上应用高分辨率图像和纹理渐变的能力。

与传统的多材料3D打印相比，Speed-Modulated Ironing技术不仅大幅减少了打印时间和材料消耗，还能够实现其他方法无法达到的精细阴影和纹理渐变。

未来展望：拓展材料与功能

项目的主要作者之一Mustafa Doga Dogan表示：“如今利用传统桌面打印机，人们可以通过巧妙组合几种墨水生成各种阴影和纹理。我们希望用3D打印机做到同样的事情——使用有限的材料，为3D打印对象创造更加多样化的特性。”

展望未来，研究人员希望试验其他热响应材料，例如塑料等，以扩展可打印材料的种类。研究团队还计划探索利用Speed-Modulated Ironing技术来修改某些材料的机械和声学特性，为3D打印在更多领域的应用打开新局面。

学术交流与合作：共同推进技术发展


△ MIT团队的主要成员：Stefanie Mueller（左）和Marwa AlAlawi（右）。


△ TU Delft团队的主要成员：Zjenja Doubrovski（左）和Mehmet Ozdemir（右）。

该研究项目是MIT电子工程与计算机科学系（EECS）TIBCO职业发展教授Stefanie Mueller和TU Delft助理教授Zjenja Doubrovski的研究团队之间的合作成果。团队成员包括TU Delft的Mehmet Ozdemir（主要作者）、MIT的机械工程研究生Marwa AlAlawi以及TU Delft的Jose Martinez Castro。相关研究成果将在ACM用户界面软件与技术研讨会（ACM Symposium on User Interface Software and Technology）上发布。

Speed-Modulated Ironing技术代表了3D打印领域迈向更通用、更具表现力和更可持续发展的重要一步。通过这种创新技术，3D打印机能够在不增加硬件成本的情况下实现单材料的多属性打印，为未来高效、高质量的3D打印应用奠定了基础。