Обычная мультиматериальная 3D-печать позволяет создавать различные изделия разных цветов и текстур. Но этот процесс долгий и расточительный: существующим 3D-принтерам приходится переключаться между соплами и выбрасывать один материал перед нанесением другого.

Учёные из Массачусетского технологического института и Делфтского технологического университета (ТУ Делфта) предложили более эффективный способ печати. Он задействует термореагирующие материалы и позволяет наносить несколько цветов, оттенков и текстур за один шаг.

Метод «глажка с регулируемой скоростью» используется в 3D-принтере с двумя соплами. Первое сопло подаёт термореактивную нить, а второе активирует определённые реакции в напечатанном материале с помощью тепла.

Контролируя скорость второго сопла, можно нагревать материал до определённых температур и настраивать цвет, оттенок и шероховатость нитей. Важно, что этот метод не требует аппаратных модификаций.

Исследователи разработали модель, которая предсказывает количество передаваемого материалу тепла в зависимости от скорости «гладильной» насадки. На основе этой модели создали пользовательский интерфейс, автоматически генерирующий инструкции для печати с нужными цветом, оттенком и текстурой.

С помощью глажения с регулировкой скорости можно создавать художественные эффекты, меняя цвет на напечатанном объекте. А еще, например, эта техника также позволяет делать текстурированные ручки, за которые легче ухватиться людям со слабыми руками.

Мустафа Дога Доган PhD '24, соавтор статьи о глажке с модулируемой скоростью, говорит, что его группа задалась целью использовать ограниченный набор материалов для создания разнообразных характеристик 3D-печатных объектов.

Этот проект — совместная работа исследовательских групп под руководством Жени Доубровски, доцента ТУ Делфта, и Стефани Мюллер, профессора по развитию карьеры TIBCO Массачусетского технологического института.

В проекте также принимали участие:

• Мехмет Оздемир из ТУ Делфта;
• Марва Аль-Алави, аспирантка машиностроительного факультета Массачусетского технологического института;
• Хосе Мартинес Кастро из ТУ Делфта.

Исследование будет представлено на симпозиуме ACM по программному обеспечению и технологиям пользовательского интерфейса.

Модуляция скорости для контроля температуры

Исследователи работают над проектом, цель которого — изучить лучшие методы 3D-печати с использованием одного материала.

Один из многообещающих способов — применение термореактивных нитей. Существующие методы печати и нагрева используют одно сопло, которое нужно предварительно нагреть до нужной температуры. Но этот процесс занимает много времени, а при высоких температурах филамент в сопле может разрушиться.

Чтобы избежать проблем, команда разработала технологию глажки. Материал печатается одним соплом, а затем активируется вторым, пустым, которое его подогревает. Исследователи поддерживают постоянную температуру второго сопла и меняют скорость, с которой оно перемещается по материалу, слегка касаясь слоя.

Это похоже на то, как вы проводите пальцем по пламени. Если вы двигаете его быстро, вы не обожжётесь, но если медленно — получите ожог, — говорит Аль-Алави.

Учёные из Массачусетского технологического института и ТУ Делфт разработали теоретическую модель, которая предсказывает скорость движения второго сопла для нагрева материала до определённой температуры.

Модель учитывает теплореагирующие свойства материала и позволяет определить скорость сопла, необходимую для получения нужных цветов, оттенков или текстур в напечатанном объекте.

По словам Аль-Алави, на результаты влияет множество исходных данных, поэтому учёные хотят быть уверены в точности модели.

Команда изучила научную литературу, чтобы определить коэффициенты теплопередачи для уникальных материалов, используемых в модели. Также они учитывали переменные, такие как тепло от вентиляторов и температура воздуха в помещении.

Модель встроили в удобный интерфейс, который упрощает процесс: переводит пиксели 3D-модели в инструкции для печати и глажения объекта с помощью двойных сопел.

Более быстрое и тонкое изготовление

Исследователи протестировали свой подход с тремя термореактивными нитями.

Первый тип нити — вспенивающийся полимер с частицами, которые расширяются при нагревании. С его помощью можно получить различные оттенки, полупрозрачность и требуемую текстуру.

Также экспериментировали с нитью, наполненной древесными волокнами, и нитью с пробковыми волокнами. Их можно обугливать для получения более тёмных оттенков.

С помощью этого метода можно создавать частично прозрачные предметы, например бутылки для воды. Для изготовления бутылок использовали низкую и высокую скорость глажения полимера, чтобы создать непрозрачные и полупрозрачные участки соответственно.

Ещё из вспенивающегося полимера сделали велосипедную ручку с различной шероховатостью для улучшения сцепления велосипедиста с дорогой.

Традиционная 3D-печать занимала больше времени, требовала больше энергии и материалов.

Глажка с регулируемой скоростью позволяет создавать тонкие градиенты оттенков и текстур. В будущем исследователи хотят провести эксперименты с другими термочувствительными материалами, а также изучить возможность использования глажения для изменения механических и акустических свойств некоторых материалов.