Исследователи разработали метод, который позволяет с высокой точностью управлять цветом, оттенком и текстурой объектов, печатаемых на 3D-принтере, используя всего один материал. Эта инновационная технология, представленная Массачусетским технологическим институтом (MIT) и Делфтским техническим университетом, ускоряет процесс печати и снижает расход материалов по сравнению с традиционными подходами, сообщается в MIT NEWS.
- Проблемы традиционной 3D-печати
- Принцип работы «глажки с регулируемой скоростью»
- Преимущества технологии и разработка модели
- Эксперименты и тестирование новых подходов
- Влияние на рынок 3D-печати
- Потенциал для дальнейших исследований
- Научное сотрудничество и будущее исследования
- Технические нюансы и преодоление трудностей
- Применение в разных отраслях
- Заключение
Проблемы традиционной 3D-печати
Существующие методы многоматериальной 3D-печати позволяют создавать объекты с различными цветами и текстурами, но они обладают недостатками. Переключение между несколькими соплами требует больше времени и ресурсов, а также приводит к большому количеству отходов, так как при смене материала часто отбрасывается лишний материал. Чтобы сделать этот процесс более эффективным, команда исследователей предложила новую методику, которая значительно уменьшает количество использованного материала и ускоряет производство.
Принцип работы «глажки с регулируемой скоростью»
Новую методику назвали «глажка с регулируемой скоростью». В этом подходе используется 3D-принтер с двумя соплами. Первое сопло наносит теплореактивную нить, а второе, действуя подобно утюгу, активирует определённые реакции материала при помощи тепла, что позволяет менять его непрозрачность, текстуру и другие характеристики. Важное отличие этого метода в том, что он не требует модификации аппаратного обеспечения принтера.
Контролируя скорость движения второго сопла, исследователи могут изменять температуру нагрева материала, точно регулируя параметры объекта, такие как оттенок, цвет и шероховатость. Чем медленнее движется второе сопло, тем выше температура нагрева, что позволяет создавать более глубокие изменения в структуре материала.
Преимущества технологии и разработка модели
Основной особенностью подхода является возможность настроить процесс печати так, чтобы добиться нужного эффекта с минимальными затратами. Команда создала теоретическую модель, которая прогнозирует, сколько тепла будет передано материалу в зависимости от скорости движения второго сопла. На основе этой модели был разработан пользовательский интерфейс, который автоматически генерирует инструкции для 3D-принтера. Эти инструкции управляют скоростью печати и нагрева, что позволяет добиться точного соответствия заданным характеристикам цвета, оттенка и текстуры.
Эксперименты и тестирование новых подходов
Исследователи протестировали технологию на трех типах термореактивных нитей. Один из них — вспенивающийся полимер, содержащий частицы, которые расширяются при нагревании. Этот материал позволяет изменять прозрачность, цвет и текстуру объекта. Другими протестированными материалами были нити, содержащие древесные и пробковые волокна, которые можно обугливать для получения различных оттенков.
Метод «глажки с регулируемой скоростью» позволил создать бутылки для воды с участками разной прозрачности. Для этого вспенивающийся полимер нагревали на низкой скорости для создания непрозрачных зон и на высокой скорости — для полупрозрачных. Также с его помощью была изготовлена велосипедная ручка с различной степенью шероховатости, что улучшает сцепление при использовании.
Влияние на рынок 3D-печати
Использование нового подхода заметно сокращает время печати по сравнению с традиционными методами. При традиционной многоматериальной печати каждый переключающийся материал добавляет часы к процессу, потребляя при этом больше энергии. Технология «глажки с регулируемой скоростью» позволяет создавать тонкие переходы между оттенками и текстурами, которых ранее достичь было невозможно.
Потенциал для дальнейших исследований
Исследователи планируют расширить эксперименты, используя другие термочувствительные материалы, такие как пластик. Кроме того, они надеются изучить возможности изменения механических и акустических свойств материалов с помощью данного метода.
Научное сотрудничество и будущее исследования
Проект разрабатывался в рамках совместного сотрудничества исследовательских групп Жени Доубровски, доцента Делфтского технического университета, и Стефани Мюллер, профессора Массачусетского технологического института и сотрудника Лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта (CSAIL). Мустафа Дога Доган, один из авторов метода, работал вместе с Мехметом Оздемиром из Делфтского технического университета, Марвой Аль-Алави, аспиранткой MIT, и Хосе Мартинесом Кастро из Делфтского технического университета.
Цель проекта состояла в поиске способов использования одного материала для создания многофункциональных объектов с помощью 3D-печати. Одним из перспективных решений стало применение термореактивных нитей, которые, благодаря контролируемому нагреву, меняют свои свойства.
Технические нюансы и преодоление трудностей
В традиционных методах печати используется одно сопло, которое нагревает материал перед нанесением. Однако этот процесс сопряжен с проблемами: требуется время на нагрев и охлаждение сопла, а при высоких температурах материал может разрушаться. Для решения этой проблемы команда внедрила технику «глажки», где нагрев осуществляется с помощью второго, пустого сопла, которое просто подогревает нанесённый материал. Вместо регулирования температуры, чтобы вызвать реакции, исследователи изменяют скорость движения второго сопла, чтобы воздействовать на материал при постоянной температуре.
Применение в разных отраслях
Используемая технология может найти применение в различных сферах, от создания художественных объектов с изменяющимися цветами до разработки тактильных поверхностей для устройств, которые должны быть удобны в использовании людьми с ограниченными возможностями.
По словам Аль-Алави, команда стремилась создать метод, который будет не только точным, но и доступным для широкого применения в производстве 3D-печатных объектов с разнообразными характеристиками. Ученые активно исследуют методы и коэффициенты теплопередачи, чтобы точно учитывать все возможные факторы, такие как температура воздуха или работа вентиляторов, которые могут повлиять на результаты печати.
Интеграция модели в интерфейс позволяет легко управлять процессом печати, переводя пиксели 3D-модели в машинные инструкции. Это делает процесс более автоматизированным и менее зависимым от человеческого вмешательства, что упрощает создание объектов с точными характеристиками.
Заключение
Новая технология «глажки с регулируемой скоростью» представляет собой значительный шаг вперед в 3D-печати. Она открывает возможность создавать сложные объекты с изменяемыми характеристиками, используя минимальное количество материала и времени. Технология перспективна не только для создания художественных изделий, но и для разработки функциональных предметов с уникальными свойствами.