Wielomateriałowy druk 3D umożliwia producentom wytwarzanie niestandardowych urządzeń o wielu kolorach i różnorodnych teksturach. Jednak proces ten może być czasochłonny i marnotrawny, ponieważ istniejące drukarki 3D muszą przełączać się między wieloma dyszami, często odrzucając jeden materiał, zanim będą mogły rozpocząć nakładanie kolejnego.
Naukowcy z MIT i Politechniki w Delft wprowadzili teraz bardziej wydajną, mniej marnotrawną i bardziej precyzyjną technikę, która wykorzystuje materiały reagujące na ciepło do drukowania obiektów o wielu kolorach, odcieniach i teksturach w jednym kroku.
Ich metoda, zwana prasowaniem z modulacją prędkości, wykorzystuje drukarkę 3D z podwójną dyszą. Pierwsza dysza osadza włókno reagujące na ciepło, a druga dysza przechodzi nad zadrukowanym materiałem, aby aktywować określone reakcje, takie jak zmiany nieprzezroczystości lub szorstkości, za pomocą ciepła.
Kontrolując prędkość drugiej dyszy, badacze mogą podgrzać materiał do określonych temperatur, precyzyjnie dostosowując kolor, odcień i szorstkość włókien wrażliwych na ciepło. Co ważne, metoda ta nie wymaga żadnych modyfikacji sprzętowych.
Naukowcy opracowali model, który przewiduje ilość ciepła, jaką dysza „prasująca” przekaże materiałowi na podstawie jej prędkości. Wykorzystali ten model jako podstawę interfejsu użytkownika, który automatycznie generuje instrukcje drukowania, które spełniają specyfikacje koloru, odcienia i tekstury.
Można zastosować prasowanie z modulacją prędkości, aby uzyskać efekty artystyczne poprzez zmianę koloru drukowanego przedmiotu. Technika ta mogłaby również pozwolić na stworzenie teksturowanych uchwytów, które byłyby łatwiejsze do uchwycenia dla osób ze słabymi rękami.
„Dzisiaj mamy drukarki stacjonarne, które wykorzystują inteligentną kombinację kilku atramentów do generowania szerokiej gamy odcieni i tekstur. Chcemy móc zrobić to samo z drukarką 3D – użyć ograniczonego zestawu materiałów, aby stworzyć znacznie bardziej zróżnicowany zestaw cech obiektów drukowanych w 3D” – mówi Mustafa Doga Dogan PhD '24, współautor artykułu na temat prasowania z modulacją prędkości.
Projekt ten jest efektem współpracy grup badawczych Zjenji Doubrowski, adiunkta na TU Delft i Stefanie Mueller, profesor ds. rozwoju kariery TIBCO na Wydziale Elektrotechniki i Informatyki (EECS) na MIT oraz członkini Instytutu Informatyki MIT oraz Laboratorium Sztucznej Inteligencji (CSAIL). Dogan blisko współpracował z głównym autorem Mehmetem Ozdemirem z TU Delft; Marwa AlAlawi, absolwentka inżynierii mechanicznej na MIT; i Jose Martinez Castro z TU Delft. Wyniki badania zostaną zaprezentowane podczas sympozjum ACM na temat oprogramowania i technologii interfejsu użytkownika.
Modulowanie prędkości w celu kontrolowania temperatury
Naukowcy rozpoczęli projekt, aby zbadać lepsze sposoby uzyskiwania druku 3D o wielu właściwościach przy użyciu jednego materiału. Zastosowanie włókien reagujących na ciepło było obiecujące, ale większość istniejących metod wykorzystuje pojedynczą dyszę do drukowania i podgrzewania. Przed nałożeniem materiału drukarka zawsze musi najpierw podgrzać dyszę do żądanej temperatury docelowej.
Jednakże nagrzewanie i chłodzenie dyszy zajmuje dużo czasu i istnieje niebezpieczeństwo, że włókno w dyszy może ulec degradacji po osiągnięciu wyższych temperatur.
Aby zapobiec tym problemom, zespół opracował technikę prasowania, w której materiał jest zadrukowywany przy użyciu jednej dyszy, a następnie aktywowany przez drugą, pustą dyszę, która jedynie go podgrzewa. Zamiast regulować temperaturę, aby wywołać reakcję materiału, badacze utrzymują stałą temperaturę drugiej dyszy i zmieniają prędkość, z jaką porusza się ona po zadrukowanym materiale, lekko dotykając górnej warstwy.
Podczas prasowania z modulacją prędkości pierwsza dysza drukarki 3D z dwiema dyszami osadza włókno reagujące na ciepło, a następnie druga dysza przechodzi nad drukowanym materiałem, aby aktywować określone reakcje, takie jak zmiany nieprzezroczystości lub szorstkości, za pomocą ciepła. „Modulując prędkość, dzięki temu prasowana warstwa zadrukowana osiąga różne temperatury. Podobnie jest z tym, co dzieje się, gdy przesuniesz palec nad płomieniem. Jeśli poruszysz nim szybko, możesz się nie poparzyć, ale jeśli przeciągnij go powoli po płomieniu, a palec osiągnie wyższą temperaturę” – mówi AlAlawi.
Zespół MIT współpracował z badaczami z TU Delft w celu opracowania modelu teoretycznego, który przewiduje, jak szybko musi poruszać się druga dysza, aby ogrzać materiał do określonej temperatury.
Model koreluje temperaturę wyjściową materiału z jego właściwościami wrażliwymi na ciepło, aby określić dokładną prędkość dyszy, która pozwoli uzyskać określone kolory, odcienie lub tekstury na drukowanym przedmiocie.
„Istnieje wiele danych wejściowych, które mogą mieć wpływ na uzyskiwane wyniki. Modelujemy coś, co jest bardzo skomplikowane, ale chcemy też mieć pewność, że wyniki będą szczegółowe” – mówi AlAlawi.
Zespół przeszukał literaturę naukową, aby określić właściwe współczynniki przenikania ciepła dla zestawu unikalnych materiałów, które wbudował w swój model. Musieli także stawić czoła szeregowi nieprzewidywalnych zmiennych, takich jak ciepło rozpraszane przez wentylatory i temperatura powietrza w pomieszczeniu, w którym drukowany jest obiekt.
Włączyli model w przyjazny dla użytkownika interfejs, który upraszcza proces naukowy, automatycznie tłumacząc piksele w modelu 3D twórcy na zestaw instrukcji maszynowych, które kontrolują prędkość, z jaką obiekt jest drukowany i prasowany przez podwójne dysze.
Szybsza i dokładniejsza produkcja
Przetestowali swoje podejście z trzema włóknami reagującymi na ciepło. Pierwszy to spieniony polimer z cząsteczkami, które rozszerzają się pod wpływem ogrzewania, dając różne odcienie, przezroczystość i tekstury. Eksperymentowali także z żarnikiem wypełnionym włóknami drzewnymi i jednym z włókien korkowych, przy czym oba można zwęglić, uzyskując coraz ciemniejsze odcienie.
Naukowcy pokazali, w jaki sposób dzięki swojej metodzie można uzyskać częściowo przezroczyste przedmioty, takie jak butelki z wodą. Aby wyprodukować butelki na wodę, prasowano pieniący się polimer przy niskich prędkościach, aby utworzyć obszary nieprzezroczyste, i przy wyższych prędkościach, aby utworzyć obszary półprzezroczyste. Wykorzystali także spieniony polimer do wytworzenia rączki rowerowej o zróżnicowanej chropowatości, aby poprawić chwyt rowerzysty.
Próby wytworzenia podobnych obiektów przy użyciu tradycyjnego, wielomateriałowego druku 3D zajmowały znacznie więcej czasu, czasami wydłużały proces drukowania i zużywały więcej energii i materiałów. Ponadto prasowanie z modulowaną prędkością może dawać drobnoziarniste gradienty odcieni i faktur, których nie można uzyskać innymi metodami.
W przyszłości naukowcy chcą eksperymentować z innymi materiałami reagującymi na ciepło, takimi jak tworzywa sztuczne. Mają także nadzieję zbadać zastosowanie prasowania z modulowaną prędkością do modyfikowania właściwości mechanicznych i akustycznych niektórych materiałów.