MIT создал новую 3D-печать, в котором уникальные объекты делаются из одного материала с минимумом отходов

Используя 3D-принтер как утюг, исследователи могут точно контролировать цвет, оттенок и текстуру создаваемых объектов, используя только один материал, сообщает MIT NEWS. Новая технология позволяет создателям точно настраивать цвет, оттенок и текстуру 3D-печатных объектов, используя только один материал. Этот метод быстрее и использует меньше материала, чем другие подходы.

Многоматериальная 3D-печать позволяет создавать индивидуальные устройства с несколькими цветами и разнообразными текстурами. Однако этот процесс может занимать много времени и быть расточительным, поскольку существующие 3D-принтеры должны переключаться между несколькими соплами, часто отбрасывая один материал, прежде чем начать наносить другой.

Исследователи из Массачусетского технологического института и Делфтского технологического университета представили более эффективную, менее расточительную и высокоточную технологию, которая использует теплореагирующие материалы для печати объектов, имеющих несколько цветов, оттенков и текстур за один шаг.

Метод, получивший название «глажка с регулируемой скоростью», использует 3D-принтер с двумя соплами. Первое сопло подает термореактивную нить, а второе сопло проходит над напечатанным материалом, чтобы активировать определенные реакции, такие как изменение непрозрачности или грубости, с помощью тепла.

Контролируя скорость второго сопла, исследователи могут нагревать материал до определенных температур, тонко настраивая цвет, оттенок и шероховатость термореактивных нитей. Важно, что этот метод не требует никаких аппаратных модификаций.

Исследователи разработали модель, предсказывающую количество тепла, которое «гладильная» насадка передаст материалу в зависимости от ее скорости. На основе этой модели был создан пользовательский интерфейс, который автоматически генерирует инструкции для печати, позволяющие достичь спецификаций цвета, оттенка и текстуры.

С помощью глажения с регулировкой скорости можно создавать художественные эффекты, изменяя цвет на напечатанном объекте. Эта техника также позволяет создавать текстурированные ручки, за которые будет легче ухватиться людям со слабыми руками.

«Сегодня у нас есть настольные принтеры, которые используют умную комбинацию нескольких красок для создания различных оттенков и текстур. Мы хотим иметь возможность делать то же самое с 3D-принтером — использовать ограниченный набор материалов для создания гораздо более разнообразных характеристик 3D-печатных объектов», — говорит доктор философии Мустафа Дога Доган, соавтор статьи о глажке с модулируемой скоростью.

Этот проект представляет собой сотрудничество между исследовательскими группами Жени Доубровски, доцента ТУ Делфта, и Стефани Мюллер, профессора по развитию карьеры TIBCO на факультете электротехники и компьютерных наук (EECS) Массачусетского технологического института и сотрудника Лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта (CSAIL) Массачусетского технологического института.

Доган работал в тесном сотрудничестве с ведущим автором Мехметом Оздемиром из Делфтского технического университета , Марвой Аль-Алави, аспиранткой факультета машиностроения Массачусетского технологического института, и Хосе Мартинесом Кастро из ТУ Делфта. Исследование будет представлено на симпозиуме ACM по программному обеспечению и технологиям пользовательского интерфейса.

Исследователи запустили проект, чтобы изучить лучшие способы достижения многофункциональной 3D-печати с помощью одного материала. Использование термореактивных нитей было многообещающим, но в большинстве существующих методов для печати и нагрева используется одно сопло. Перед нанесением материала принтер всегда должен сначала нагреть сопло до нужной температуры.

Однако нагрев и охлаждение сопла занимают много времени, и существует опасность, что филамент в сопле может разрушиться при достижении более высоких температур.

Чтобы предотвратить эти проблемы, команда разработала технику глажения, при которой материал печатается с помощью одной насадки, а затем активируется второй, пустой насадкой, которая только подогревает его. Вместо того чтобы регулировать температуру, чтобы вызвать реакцию материала, исследователи поддерживают температуру второго сопла постоянной и изменяют скорость его перемещения по напечатанному материалу, слегка касаясь верхней части слоя.

При глажении с модулируемой скоростью первое сопло двухсоплового 3D-принтера наносит теплореагирующую нить, а затем второе сопло проходит над напечатанным материалом, чтобы активировать определенные реакции, такие как изменение непрозрачности или грубости, с помощью тепла.

«Когда мы регулируем скорость, это позволяет печатному слою, который мы проглаживаем, достигать различных температур. Это похоже на то, что происходит, когда вы проводите пальцем по пламени. Если вы двигаете его быстро, вы можете не обжечься, но если вы проводите им по пламени медленно, ваш палец достигнет более высокой температуры», — говорит Аль-Алави.

Команда Массачусетского технологического института совместно с исследователями из Делфтского технического университета разработала теоретическую модель, которая предсказывает, как быстро должна двигаться вторая форсунка, чтобы нагреть материал до определенной температуры.

Модель соотносит температуру материала на выходе с его теплореактивными свойствами, чтобы определить точную скорость сопла, которая позволит добиться определенных цветов, оттенков или текстур в напечатанном объекте.

«Существует множество исходных данных, которые могут повлиять на результаты, которые мы получим. Мы моделируем что-то очень сложное, но при этом хотим быть уверены, что результаты будут точными», — говорит Аль-Алави.

Команда покопалась в научной литературе, чтобы определить правильные коэффициенты теплопередачи для набора уникальных материалов, которые они встроили в свою модель. Им также пришлось учитывать множество непредсказуемых переменных, таких как тепло, которое может рассеиваться вентиляторами, и температура воздуха в помещении, где печатается объект.

Они встроили модель в удобный интерфейс, который упрощает научный процесс, автоматически переводя пиксели 3D-модели в набор машинных инструкций, которые управляют скоростью печати и глажения объекта с помощью двойных сопел.

Они протестировали свой подход с тремя термореактивными нитями. Первый из них, вспенивающийся полимер с частицами, расширяющимися при нагревании, позволил получить различные оттенки, прозрачность и текстуру. Они также экспериментировали с нитью, наполненной древесными волокнами, и нитью с пробковыми волокнами, которые можно обугливать для получения все более темных оттенков.

Исследователи продемонстрировали, как с помощью их метода можно создавать частично прозрачные предметы, например бутылки для воды. Чтобы изготовить бутылки для воды, они гладили вспенивающийся полимер на низкой скорости, чтобы создать непрозрачные участки, и на более высокой скорости, чтобы создать полупрозрачные. Они также использовали вспенивающийся полимер для изготовления велосипедной ручки с различной шероховатостью, чтобы улучшить сцепление велосипедиста с дорогой.

Попытки изготовить подобные объекты с помощью традиционной многоматериальной 3D-печати занимали гораздо больше времени, иногда добавляя часы к процессу печати, и потребляли больше энергии и материалов. Кроме того, глажка с регулируемой скоростью позволяет создавать тонкие градиенты оттенков и текстур, которых не могут достичь другие методы.

В будущем исследователи хотят провести эксперименты с другими термочувствительными материалами, такими как пластик. Они также надеются изучить возможность использования глажения с регулируемой скоростью для изменения механических и акустических свойств некоторых материалов.

Ранее сообщалось, что исследователи создали первую функциональную ткань мозга, напечатанную на 3D-принтере, которая может развиваться и формировать связи так же, как и настоящая ткань человека. По словам ученых, многие лаборатории смогут использовать их новый метод, поскольку он не требует специального оборудования для биопечати. Ткань легко поддерживать в здоровом состоянии, и ее можно изучать с помощью микроскопов и другого оборудования.