一种新技术的开发使得创作者可以仅使用一种材料精确地调整3D打印物品的颜色、色调和纹理。这种新方法不仅更快捷，而且相较于传统方法所需的材料更少。
多材料3D打印促进了各种颜色和纹理的独特设计物品的创造。然而，这一过程可能非常繁琐，并导致材料浪费，因为当前的3D打印机通常需要在多个喷嘴之间切换，经常在开始使用另一种材料之前就处置一种材料。
来自麻省理工学院（MIT）和代尔夫特理工大学的研究人员推出了一种更有效、浪费更少的技术，该技术使用热敏材料在单一过程中打印多色和纹理的物体。
这一技术被称为速度调制熨烫，采用双喷嘴3D打印机。第一个喷嘴喷出热响应丝料，而第二个喷嘴则在打印表面移动，通过施加热量触发特定反应，如不透明度或表面纹理的变化。
通过调节第二个喷嘴的速度，研究人员可以产生精确的温度调整，使他们能够细微调整热敏丝料的颜色、色调和纹理。值得注意的是，此方法不需要任何硬件更改。
研究团队开发了一个模型，该模型预测“熨烫”喷嘴根据其速度转移的热量。这一模型作为用户界面的基础，自动生成打印指令以满足特定的颜色、色调和纹理要求。
速度调制熨烫可以通过改变打印物品上的颜色来创造艺术效果。此外，这一技术能够设计具有纹理的手柄，以便更好抓握，特别适合手部力量减弱的人士。
“目前，桌面打印机使用少数墨水的巧妙组合来创建各种色调和纹理。我们的目标是通过利用有限的材料范围，使3D打印物品的特征谱系更广泛，以达到类似效果，”速度调制熨烫研究的共同作者穆斯塔法·多加·多甘（Mustafa Doga Dogan）博士’24 解释道。
该项目是代尔夫特理工大学的兹捷尼亚·杜布罗夫斯基研究团队与麻省理工学院的斯特法尼·穆勒小组的合作，后者担任电气工程与计算机科学系（EECS）的TIBCO职业发展教授，同时也与麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室（CSAIL）相关联。多甘与代尔夫特理工大学的主要作者梅赫梅特·阿兹德米尔（Mehmet Ozdemir）、麻省理工学院的机械工程研究生马尔瓦·阿拉劳伊（Marwa AlAlawi）以及代尔夫特理工大学的何塞·马丁内斯·卡斯特罗（Jose Martinez Castro）密切合作。研究成果将在ACM用户界面软件与技术研讨会上分享。
调整速度以控制温度
研究团队开始该项目，以探索利用单一材料达成多属性3D打印的更有效方法。虽然使用热响应丝料的概念展现出潜力，但大多数传统技术依赖单个喷嘴进行打印和加热，要求喷嘴在开始材料沉积之前加热到所需温度。
然而，喷嘴的加热和冷却过程耗时较长，并且存在的风险是，丝料在高温下可能会降解。
为了应对这些问题，研究人员创建了一种熨烫技术，使用一个喷嘴打印材料，然后用第二个仅加热的空喷嘴来激活它。团队在喷嘴上保持恒定温度，而在打印层之上改变其速度，而不是调整温度来激发材料的反应。
在速度调制熨烫中，双喷嘴3D打印机的主喷嘴应用热响应丝料，而第二个喷嘴轻轻移动于打印区域上，以通过热量触发不透明度或纹理等反应。“通过调节速度，我们使被熨烫的层达到不同的温度。这就像快速将手指移动过火焰；如果你速度快，就不会烫到自己，但如果停留过久，就会太热。”阿拉劳伊解释道。
麻省理工的团队与代尔夫特理工大学的研究人员合作，制定理论模型，以预测实现特定材料温度条件所需的第二个喷嘴速度。
该模型将材料的最终温度与其热响应特性连接，确定了制造成品中不同颜色、色调或纹理所需的精确喷嘴速度。
“有许多变量可以影响我们所取得的结果。我们正在建模一个复杂的系统，但希望确保结果细致入微，”阿拉劳伊评论道。
团队探索了科学文献，以找到范围广泛专业材料的适当热传导系数，并将这些发现整合到他们的模型中。他们还不得不处理一系列不可预测的因素，如风扇散发的热量和打印区域的环境温度。
该模型嵌入到用户友好的界面中，简化了科学过程，将设计师3D模型中的像素转化为机器指令，调节双喷嘴的打印和熨烫速度。
快速、精确的生产
团队用三种类型的热响应丝料测试了他们的技术。第一种是发泡聚合物，在加热时颗粒膨胀，产生各种色调、透明度和纹理。他们还实验了一种含木纤维的丝料和一种含软木纤维的丝料，这两种材料都可以烧焦以创造更深的色调。
研究人员展示了如何使用他们的技术来创作部分半透明的物体，比如水瓶。制造这些瓶子时，他们在不透明区域以低速控制发泡聚合物的熨烫，而在透明区域以高速处理。他们还使用发泡聚合物设计了具有多种纹理的自行车手柄，以便更好抓握。
相比之下，通过传统多材料3D打印制作类似物品费时显著更长，通常需要增加几个小时的时间，同时消耗更多的能量和材料。此外，速度调制熨烫能够实现其他方法无法复制的细致渐变色调和纹理。
展望未来，研究人员打算探索更多热响应材料，比如塑料。他们还希望调查速度调制熨烫在改变某些材料的机械和声学特性方面的潜力。
