MITとデルフト工科大学が協力し、ワンステップでマルチカラー、マルチテクスチャの3Dプリントを実現する新しい熱応答型3Dプリント技術を開発

この投稿は Coco Bear によって 2024-10-13 00:44 に最後に編集されました。

2024年10月12日、アンタークティックベアは、マサチューセッツ工科大学（MIT）とオランダのデルフト工科大学（TU Delft）の研究者が協力して、スピード変調アイロン掛けと呼ばれる新しい3Dプリント技術を開発したことを知りました。この技術は、熱応答性材料とデュアルノズル 3D プリンターを使用して、単一の印刷プロセスでオブジェクトの複数の色、色合い、質感を実現します。この画期的な方法は、効率性の向上、無駄の削減、精度の向上により、3D プリントの世界に新たな可能性をもたらします。

スピード変調アイロン技術を使用して処理および製造された、局所的な色調の変化があるスキャンされたフィギュアの例。 A) テクスチャ付きのメッシュファイル。 B) コルク入り素材で印刷されています。 C) コルク充填材を使用して印刷された別の作品ですが、明るさの値は反対です。 D) 木材充填材を使用して印刷された作品。 E) 緑色のLW-PLA素材を使用して印刷された作品。

革新的な技術: ノズル速度を利用して材料特性を制御する

△ スピード変調アイロン技術と従来の技術の比較。

従来のマルチノズル 3D プリンターでは、マルチカラーまたはマルチテクスチャ印刷を実現するために、異なるノズルを切り替える必要があり、各ノズルが異なる材料を担当します。これにより、印刷時間と材料の無駄が増加するだけでなく、材料間の遷移が比較的急激になり、繊細なグラデーション効果を実現できません。

これらの問題を解決するために、研究チームは速度調整アイロン技術を開発しました。この技術では、ハードウェアの変更なしに標準的なデュアルノズル 3D プリンターを使用します。最初のノズルは、熱に敏感な有効成分を含む単一のポリマー材料を一定温度で溶かして堆積させる役割を果たします。2 番目のノズルは材料を押し出すのではなく、印刷された材料の表面上をさまざまな速度で前後にスライドします。研究者は、2 番目のノズルの移動速度を制御することで、材料に加えられる熱の量を正確に調整し、熱応答性フィラメントの色、色合い、粗さを慎重に制御することができます。「ノズルの速度を調整すると、アイロンがけされる印刷層の温度が変わります」と、MITで機械工学を専攻する大学院生、マルワ・アラウィ氏は言う。「指を炎の上で動かすのと似ています。素早く動かすと火傷はしないかもしれませんが、ゆっくり動かすと指の温度が高くなります。」

モデル予測とユーザーインターフェース: 複雑なプロセスを簡素化

△ スピードモジュレーションアイロン技術のワークフロー。

材料の特性を正確に制御するために、研究チームは、2番目のノズルの速度に基づいて材料に伝達される熱量を予測できる理論モデルを開発しました。このモデルは、材料の出力温度とその熱応答特性を関連付け、特定の色、色合い、または質感を実現するために必要な正確なノズル速度を決定します。ファンの放熱、室温など、結果に影響を与える要因は多数あるため、研究チームは科学文献を徹底的に調査し、さまざまな固有の材料の適切な熱伝達係数を決定し、それをモデルに組み込みました。

△ スピード変調アイロン技術のユーザーインターフェースと操作プロセス。

この複雑なプロセスをよりユーザーフレンドリーにするために、研究者たちはモデルを簡潔なユーザーインターフェースに統合しました。インターフェースは Rhino Grasshopper に基づいており、ユーザーはプリセットのマテリアル設定を選択したり、詳細モードでカスタマイズしたりできます。このツールは、3D モデル内のピクセルを機械命令に自動的に変換し、デュアルノズルの印刷速度とアイロン速度を制御して、希望する色、色合い、テクスチャ効果を実現します。

多様な材料試験と実用化

研究者たちは、2番目のノズルの速度を調整することで、材料の色合いを変え、複雑な模様の物体を作り出すことができる。

研究チームは、テストに 3 種類の熱応答性材料を使用しました。

●発泡ポリマー：加熱すると粒子が膨張し、印刷されたポリマーが不透明と半透明に変化し、手触りも変わります。水筒や自転車のハンドルなど、場所によって粗さが異なる不透明な模様と半透明の背景を持つ物体の印刷に使用できます。
●木質繊維充填材：熱により炭化して色が徐々に濃くなります。
●コルク繊維充填材：木質繊維充填材と同様に、熱により炭化して色が徐々に濃くなります。

△自転車のハンドルバーは黒色のLW-PLA素材で作られており、スピード変調アイロン技術によってグリップの粗さが変化します。

△ナチュラルカラーのLW-PLA素材を使用してプリントした液体容器。

研究者たちはこれらの材料を使用して、さまざまな実用的応用テストを実施しました。

● 発泡ポリマーを低速でアイロンがけして不透明な部分を作り、高速でアイロンがけして半透明の部分を作ることで、部分的に透明な効果のあるウォーターボトルができました。
● 自転車のハンドルは、ライダーのグリップを向上させるために、さまざまな粗さのレベルに作られています。
● 印刷物に高解像度の画像とテクスチャグラデーションを適用する能力を実証。

従来のマルチマテリアル 3D プリントと比較して、スピードモジュレーテッドアイロニングテクノロジーは、印刷時間と材料の消費量を大幅に削減するだけでなく、他の方法では実現できない微細な陰影やテクスチャのグラデーションも実現します。

今後の展望：素材と機能の拡大

「今日、従来のデスクトッププリンターでは、数種類のインクを巧みに組み合わせることで、さまざまな色合いや質感を作り出すことができます」と、このプロジェクトの主執筆者の 1 人であるムスタファドガドガン氏は語ります。「私たちは、3D プリンターで同じことを実現したいと考えました。つまり、限られた数の材料を使用して、3D プリントされたオブジェクトにさまざまな特性を持たせるのです。」

研究者たちは今後、プラスチックなどの他の熱応答性材料を試して、印刷可能な材料の範囲を拡大したいと考えています。研究チームはまた、速度変調アイロン加工技術を使用して特定の材料の機械的特性と音響特性を変更することも検討し、より多くの分野での 3D プリントの応用の新たな展望を切り開く予定です。

学術交流・協力：技術開発の共同推進

△ MITチームの主要メンバー：ステファニー・ミューラー（左）とマルワ・アルアラウィ（右）。

△デルフト工科大学のチームの主要メンバー：ジェンヤ・ドゥブロフスキ氏（左）とメフメット・オズデミル氏（右）。

この研究プロジェクトは、MIT 電気工学・コンピュータサイエンス学部 (EECS) の TIBCO キャリア開発教授である Stefanie Mueller 氏と、デルフト工科大学の助教授である Zjenja Doubrovski 氏の研究グループの共同作業です。チームメンバーには、デルフト工科大学のメフメット・オズデミール氏（筆頭著者）、MIT機械工学大学院生のマルワ・アルアラウィ氏、デルフト工科大学のホセ・マルティネス・カストロ氏が含まれていた。関連する研究結果は、ACM ユーザーインターフェースソフトウェアおよびテクノロジーシンポジウムで発表される予定です。

速度変調アイロン技術は、より多用途で表現力豊かで持続可能な 3D プリントに向けた重要な一歩です。この革新的な技術により、3D プリンターはハードウェアコストを増やすことなく単一の材料で複数の属性の印刷を実現でき、将来の効率的で高品質な 3D 印刷アプリケーションの基盤が築かれます。

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