新しい3Dプリンティング技術で迅速かつ無駄なくユニークな物体を作製

November, 1, 2024, Cambridge--マルチマテリアル(多材料)3Dプリンティングにより、メーカーは複数の色と様々なテクスチャでカスタマイズされたデバイスを製造できる。しかし、既存の3Dプリンタでは複数のノズルを切り替えなければならない。多くの場合、1つの材料を廃棄してから別の材料を堆積させる必要があるため、このプロセスには時間と無駄がかかる可能性がある。

MITとデルフト工科大学の研究者は、熱応答性材料を活用して、複数の色、色合い、テクスチャを持つオブジェクトを1つのステップでプリントする、より効率的で無駄が少なく、高精度の技術を導入した。

速度変調アイロンと呼ばれる研究グループの方法は、デュアルノズル3Dプリンタを利用している。最初のノズルは熱応答性フィラメントを堆積させ、2番目のノズルはプリントされた物の上を通過して、熱を使用して不透明度や粗さの変化などの特定の応答を活性化する。

研究者は、2番目のノズルの速度を制御することにより、材料を特定の温度に加熱し、熱応答性フィラメントの色、色合い、粗さを微調整できる。重要なのは、この方法ではハードウェアの変更が不要であること。

研究チームは、「アイロン」ノズルがその速度に基づいて材料に伝達する熱量を予測するモデルを開発した。このモデルを基盤として、色、色合い、テクスチャの仕様を実現するプリンテング指示を自動的に生成するユーザインタフェースを開発した。

速度変調アイロンを使用して、プリントされた物の色を変えることで芸術的な効果を生み出すことができる。この技術は、手に弱い人でも握りやすいテクスチャのあるハンドルを作成することもできる。

「今日、デスクトッププリンタは、数枚のインクをスマートに組み合わせて、様々な色合いやテクスチャを生成することができる。われわれは、3Dプリンタでも同じことを実現できるようにしたいと考えている。限られた材料セットを使用して、3Dプリントされたオブジェクトに対してはるかに多様な特性セットを作成している」と、速度変調アイロンに関する論文の共著者、Mustafa Doğa Doğan PhD ’24は話している。

このプロジェクトは、デルフト工科大学(TU Delft)の助教授、Zjenja Doubrovskiと、MITの電気工学およびコンピュータサイエンス学部(EECS)のTIBCOキャリア開発教授、MITコンピュータサイエンスおよび人工知能研究所(CSAIL)のメンバーであるStefanie Muellerの研究グループとの共同研究である。Doğanは、TU Delftの筆頭著者Mehmet Ozdemirと緊密に協力した。Marwa AlAlawi、MITの機械工学の大学院生、TU DelftのJose Martinez Castro。
この研究は、ACM Symposium on User Interface Software and Technologyで発表される。

温度制御ための速度変調
研究者たちは、単一の材料でマルチプロパティ3Dプリンティングを実現するためのより良い方法を模索するために、プロジェクトを立ち上げた。熱応答性フィラメントの使用は有望だったが、既存の方法のほとんどは、単一のノズルを使用してプリンティングと加熱を行う。プリンタは、材料を堆積する前に、常にノズルを目的の目標温度に加熱する必要がある。

しかし、ノズルの加熱・冷却には時間がかかり、高温になるとノズル内のフィラメントが劣化する危険性がある。

これらの問題を防ぐために、チームは、1つのノズルを使用して材料をプリントし、2番目の空のノズルで材料を再加熱するだけで活性化するアイロン技術を開発した。研究チームは、材料の反応を引き起こすために温度を調整するのではなく、2つ目のノズルの温度を一定に保ち、プリントされた材料上を移動する速度を変化させ、層の上部にわずかに触れるようにした。
「速度を調整すると、アイロンがけするプリント層が異なる温度に到達できるようになる。炎の上で指を動かすとどうなるかと似ている。素早く動かせば火傷はしないかも知れないが、炎の上をゆっくりと引きずると、指の温度が高くなる」(AlAlawi)。

MITチームは、TU Delftの研究者と協力して、材料を特定の温度に加熱するために2番目のノズルがどれだけ速く移動する必要があるかを予測する理論モデルを開発した。

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て、プリントされたオブジェクトで特定の色、色合い、またはテクスチャを実現する正確なノズル速度を決定する。

「われわれが得る結果に影響を与える可能性のある多くのインプットがある。われわれは非常に複雑なものをモデル化しているが、その結果がきめ細かいものであることも確認したいと考えている」(AlAlawi)。

チームは科学文献を掘り下げて、一連のユニークな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んだ。また、ファンによって放散される可能性のある熱や、オブジェクトがプリントされている部屋の気温など、予測不可能な変数の数々にも対処しなければならなかった。

このモデルをユーザフレンドリーなインタフェースに組み込んで科学的なプロセスを簡素化することで、メーカーの3Dモデルのピクセルを、デュアルノズルによるオブジェクトのプリントとアイロンの接続速度を制御する一連の機械命令に自動的に変換した。

より速く、より微細な製造

チームは、3つの熱応答性フィラメントでアプローチをテストした。1つ目は、加熱すると粒子が膨張する発泡性ポリマで、様々な色合い、半透明、テクスチャが得られる。また、木質繊維を充填したフィラメントとコルク繊維を充填したフィラメントを実験したが、どちらも焦げ目をつけるとますます暗い色合いになる。

研究チームは、チームの方法が部分的に半透明の水筒のような物体をどのように作り出すことができるかを実証した。ウォーターボトルを作るために、チームは泡立つポリマを低速でアイロンでアイロンをかけて不透明な領域を作成し、高速で半透明の領域を作成した。また、発泡ポリマを利用して、ライダーのグリップを向上させるために、様々な粗さのバイクハンドルを製造した。

従来のマルチマテリアル3Dプリンティングを使用して同様のオブジェクトを作成しようとすると、はるかに時間がかかり、時にはプリントプロセスに数時間が追加され、より多くのエネルギーと材料が消費された。さらに、速度変調されたアイロンは、他の方法では達成できなかったきめの細かい色合いとテクスチャのグラデーションを生成することができた。

将来的には、研究チームはプラスチックなどの他の熱応答性材料で実験したいと考えている。また、速度変調アイロンを使用して、特定の材料の機械的および音響的特性を変更する方法も検討したいと考えている。