长三角G60激光联盟导读
据悉，麻省理工学院（MIT）和代尔夫特理工大学（TU Delft）的科研人员报道了单材料3D打印中的高分辨率阴影和纹理渐变-调速熨烫技术的研究。相关研究成果以“Speed-Modulated Ironing: High-Resolution Shade and Texture Gradients in Single-Material 3D Printing”为题发表在《UIST '24: Proceedings of the 37th Annual ACM Symposium on User Interface Software and Technology》上。
研究介绍了一种在单一材料3D打印中编程视觉和触觉特性的新制造调速熨烫方法。科研人员使用一个喷嘴进行3D打印，另一个喷嘴以不同的速度重新加热打印区域，从而控制材料的温度反应。速度的快速调整可实现精细的再加热，从而实现高分辨率的颜色和纹理变化。研究用三种温度响应材料演示了方法：发泡长丝、木纤维长丝和软木颗粒长丝。这些长丝通过改变颜色、粗糙度、透明度和光泽度对温度做出反应。该研究的技术评估显示，研究方法具有足够的分辨率和阴影范围，可以在3D打印对象上实现小文本、照片和二维码等表面细节。最后，研究提供了一些应用实例，完善了3D打印对颜色、纹理和阴影的控制，展示了调速熨烫技术带来的全新设计能力。
调速熨烫技术使制造商只需使用一种材料，就能高精度地制造出具有不同颜色和纹理的物体，如下图中的猫头鹰。与其他方法相比，这种技术速度更快，产生的废料更少。
图1：调速熨烫（Speed-Modulated Ironing）是一种新颖的3D打印技术，适用于FDM 3D打印机，可在高分辨率下对视觉和触觉特性进行连续编程。新型3D打印技术能快速制造出独特的物品，并减少浪费。
图2：调速熨烫的过程。A)打印：第一喷嘴在低温下沉积一层材料。B)编程：打印完一层后，第二个喷嘴以较高但恒定的温度熨烫一层。通过改变熨烫速度，可以控制再加热的程度，从而控制材料的活化程度。C)调速熨烫过程的热像仪图像。一个区域以低速熨烫，使打印层明显再加热。另一个区域则以高速熨烫，没有明显的再加热现象。喷嘴温度和喷嘴高度保持不变。D)用该研究的方法制作的彩色渐变图像打印样品。
表1：研究方法中使用的三种材料的熨烫喷嘴温度和熨烫速度范围。
图3：调速熨烫工作流程。
多材料3D打印技术使制造商能够制造出具有多种颜色和不同纹理的定制设备。但这一过程既耗时又浪费，因为现有的3D打印机必须在多个喷嘴之间切换，往往在开始沉积另一种材料之前就会丢弃一种材料。
麻省理工学院和代尔夫特理工大学的研究效率更高、浪费更少、精度更高，利用热响应材料，一步即可打印出具有多种颜色、阴影和纹理的物体。
“调速熨烫”（speed-modulated ironing），利用的是双喷嘴3D打印机。第一个喷嘴沉积热响应长丝，第二个喷嘴穿过打印材料，利用热量激活某些响应，如改变不透明度或粗糙度。
通过控制第二个喷嘴的速度，研究人员可以将材料加热到特定温度，从而微调热响应长丝的颜色、阴影和粗糙度。重要的是，这种方法不需要修改任何硬件。
研究人员开发了一个模型，可根据“熨烫”喷嘴的速度预测其传递给材料的热量。他们将这一模型作为用户界面的基础，该界面可自动生成打印指令，以实现颜色、阴影和纹理规格。
人们可以利用调速熨烫技术，通过改变打印物体的颜色来创造艺术效果。这种技术还可以制作出纹理手柄，让手部无力的人更容易抓住。
这项研究在10月13-16日于匹兹堡举行的ACM用户界面软件与技术研讨会（UIST 2024）上发表。
图4：调速熨烫工具的用户界面，包括生成的主界面和用户的操作步骤。
图5：不同熨烫速度下的材料最高温度模型，喷嘴温度为340℃。
图6：显示局部阴影变化的示例。每个物体都使用一种材料进行打印，即软木填充材料或木质填充材料。
图7：使用研究方法处理并制作出局部阴影变化的扫描雕像示例。A)带纹理的网格文件。B) 用Corkfill制作的打印件。C）另一个使用软木填充但亮度值相反的打印件。D)使用木质填充材料进行的打印。E)使用绿色LW-PLA打印。
图8：LW-PLA打印的液体容器。低速熨烫的区域变得不透明，而高速熨烫的区域保持半透明。
调节速度以控制温度
研究人员发起该项目的目的是探索用单一材料实现多性能3D打印的更好方法。使用热响应长丝很有前景，但现有的大多数方法都是使用单个喷嘴进行打印和加热。在沉积材料之前，打印机总是需要先将喷嘴加热到所需的目标温度。
然而，加热和冷却喷嘴需要很长时间，而且喷嘴中的长丝在达到较高温度时有可能会降解。
为了避免这些问题，研究小组开发了一种熨烫技术，使用一个喷嘴打印材料，然后由第二个空喷嘴激活，该喷嘴只对材料进行再加热。研究人员不是通过调节温度来触发材料反应，而是保持第二个喷嘴的温度不变，并改变其在打印材料上移动的速度，使其稍微接触到材料层的顶部。
当调节速度时，熨烫的打印层就会达到不同的温度。这类似于手指在火焰上移动的情况。如果快速移动，你可能不会被烧伤，但如果你慢慢拖过火焰，手指就会达到更高的温度。
麻省理工学院团队与代尔夫特理工大学的研究人员合作开发了理论模型，该模型可预测第二个喷嘴必须以多快的速度移动才能将材料加热到特定温度。该模型将材料的输出温度与其热响应特性联系起来，以确定喷嘴的确切速度，从而使打印对象达到特定的颜色、阴影或纹理。
研究人员称，有很多输入会影响得到的结果。他们正在对非常复杂的东西进行建模，也希望确保结果是精细的。
研究小组深入研究科学文献，为一组独特的材料确定适当的传热系数，并将其纳入模型。他们还必须应对一系列不可预测的变量，例如风扇可能散失的热量以及打印对象所在房间的空气温度。
他们将模型纳入了一个用户友好型界面，该界面简化了科学流程，可自动将制作者3D模型中的像素转化为一组机器指令，控制物体的打印速度和双喷嘴的熨烫速度。
图9：LW-PLA制作的自行车手柄。研究方法可以使粗糙度变化，从而实现抓握和装饰效果。
图10：A)用于测试分辨率和细节能力的图案。B)用填充木打印的测试图案。C)填充软木。D)黑色LW-PLA。E)半透明“自然色 ”LW-PLA。
图11：不同字体大小下的文字可读性测试样本。A) 测试图像。B) 软木填充样本。C)填充木样本。D)LW-PLA样品
图12：评估再现不同色调和细节照片能力的测试样本。A）软木填充打印件。B)填充木打印件。
更快、更精细的制造
他们用三种热响应长丝测试了他们的方法。第一种是发泡聚合物，其颗粒在加热时会膨胀，从而产生不同的阴影、半透明度和纹理。他们还试验了一种填充木纤维的长丝和一种填充软木纤维的长丝，这两种纤维都可以被烧焦，从而产生越来越深的阴影。
研究人员展示了他们的方法是如何制造出部分半透明的水瓶等物品。为了制造水瓶，他们用低速熨烫发泡聚合物，产生不透明区域，用高速熨烫则产生半透明区域。他们还利用发泡聚合物制作了一个具有不同粗糙度的自行车把手，以改善骑行者的抓地力。
使用传统的多材料3D打印技术制作类似的物体需要花费更多的时间，有时打印过程会增加几个小时，而且会消耗更多的能源和材料。此外，调速熨烫还能产生其他方法无法实现的细粒度阴影和纹理渐变。
这项研究介绍了 “调速熨烫”（Speed-Modulated Ironing），这是一种可实现对视觉阴影和触觉纹理梯度的高分辨率控制来扩展单一材料3D打印的功能新方法。在未来的工作中，将进一步调整工作流程，使打印对象的属性不仅限于外表面，还包括内部。在局部修改机械性能时，对内部进行编程尤为重要。研究人员希望，他们的工作代表着向更多功能、更具表现力和可持续发展的3D打印迈出了一步。未来，研究人员希望尝试使用塑料等其他热响应材料。他们还希望探索利用调速熨烫来改变某些材料的机械和声学特性。
论文链接：
Speed-Modulated Ironing: High-Resolution Shade and Texture Gradients in Single-Material 3D Printing.https://doi.org/10.1145/3654777.3676456
长三角G60激光联盟陈长军转载