La impresión 3D multimaterial permite a los fabricantes crear dispositivos personalizados con múltiples colores y diversas texturas. Pero el proceso puede llevar mucho tiempo y ser un desperdicio porque las impresoras 3D actuales deben cambiar entre múltiples boquillas, a menudo un material, antes de comenzar a depositar otro.
Investigadores del MIT y la Universidad Tecnológica de Delft han introducido una técnica más eficiente, menos derrochadora y de mayor precisión para imprimir objetos con múltiples colores, sombras y texturas en un solo paso en respuesta al calor.
Su método, llamado planchado de velocidad modulada, utiliza una impresora 3D de doble boquilla. La primera boquilla recoge filamentos que responden al calor y la segunda boquilla pasa sobre el material impreso para utilizar el calor para inducir determinadas reacciones, como cambios de opacidad o rugosidad.
Al controlar la velocidad de la segunda boquilla, los investigadores pueden calentar el material a temperaturas específicas, ajustando el color, el tono y la rugosidad de las fibras sensibles al calor. Es importante destacar que este método no requiere ninguna modificación de hardware.
Los investigadores han desarrollado un modelo que predice cuánto calor transferirá una boquilla de “hierro” al material en función de su velocidad. Utilizaron este modelo como base para una interfaz de usuario que genera automáticamente instrucciones de impresión que capturan especificaciones de color, tono y textura.
Se puede utilizar el planchado con velocidad modulada para crear efectos artísticos variando el color del artículo impreso. Esta técnica también puede producir mangos texturizados que son más fáciles de agarrar para las personas con debilidad en las manos.
“Hoy tenemos impresoras de escritorio que utilizan combinaciones inteligentes de unas pocas tintas para producir una gama de colores y texturas. Queremos poder hacer lo mismo con una impresora 3D: utilizando un conjunto limitado de materiales y mucho más”. conjunto diverso de propiedades para objetos impresos en 3D”, dice Mustafa Dogan Ph.D. ’24, coautor de un artículo sobre planchado con velocidad modulada.
El proyecto es una colaboración entre los grupos de investigación de Zjenja Doubrovski, profesora asistente en TU Delft, y Stephanie Müller, profesora de desarrollo profesional de TIBCO en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS) del MIT y becaria de Ciencias de la Computación del MIT. y Laboratorio de Inteligencia Artificial (CSAIL). Dugan colaboró con el autor principal Mehmet Özdemir de TU Delft. Marwah Allawi, estudiante de posgrado en ingeniería mecánica del MIT; y José Martínez Castro de TU Delft. La investigación se presentará en el Simposio ACM sobre software y tecnología de interfaz de usuario.
Modulando la velocidad para controlar la temperatura.
Los investigadores lanzaron el proyecto para encontrar mejores formas de lograr la impresión 3D de propiedades múltiples con un solo material. El uso de filamentos sensibles al calor era prometedor, pero la mayoría de los métodos actuales utilizan una única boquilla para imprimir y calentar. La impresora siempre necesita calentar la boquilla a la temperatura objetivo deseada antes de depositar el material.
Sin embargo, se necesita mucho tiempo para calentar y enfriar la boquilla y existe el riesgo de que el filamento de la boquilla se dañe por la exposición a altas temperaturas.
Para evitar estos problemas, el equipo desarrolló una técnica de planchado que utiliza una boquilla para imprimir el material y luego lo activa con una segunda boquilla vacía que simplemente lo vuelve a doblar. En lugar de ajustar la temperatura para provocar una reacción del material, los investigadores mantuvieron constante la temperatura de la segunda boquilla y variaron un poco la velocidad a la que se movía sobre el material impreso, tocando la parte superior de la capa.
En el planchado con velocidad modulada, la primera boquilla de la impresora 3D de doble boquilla recoge el filamento sensible al calor y luego la segunda boquilla pasa sobre el material impreso para crear ciertas reacciones, como desenfoque o aspereza, mediante el cambio de PIN. activado. “A medida que modulamos la velocidad, permite que la capa impresa alcance diferentes temperaturas. Es similar a cuando mueves el dedo sobre una llama. Arrástralo lentamente sobre la llama, tu dedo alcanzará una temperatura más alta”, dice Allawi.
El equipo del MIT trabajó con investigadores de TU Delft para desarrollar un modelo teórico que predice qué tan rápido debe moverse la segunda boquilla para calentar el material a una temperatura determinada.
El modelo combina la temperatura de salida de un material con sus características de respuesta al calor para determinar la velocidad correcta de la boquilla que logrará colores, sombras o texturas específicas en el objeto impreso.
“Hay muchas aportaciones que pueden afectar los resultados que obtenemos. Estamos modelando algo que es muy complejo, pero también queremos asegurarnos de que los resultados sean buenos”, dice Allawi.
El equipo investigó la literatura científica para determinar los coeficientes de transferencia de calor apropiados para un conjunto de materiales únicos, que incorporaron a su modelo. También tuvieron que lidiar con una serie de variables impredecibles, como el calor que podía disipar el ventilador y la temperatura del aire en la habitación donde se estaba imprimiendo el objeto.
Incorporaron el modelo en una interfaz fácil de usar que simplifica el proceso científico, traduciendo automáticamente los píxeles del modelo 3D de un fabricante en un conjunto de instrucciones de mecanizado que controlan la velocidad a la que se mueven las boquillas duales.
Fabricación mejor y más rápida
Probaron su enfoque con tres filamentos sensibles al calor. El primero, un polímero espumante que contiene partículas que se expanden a medida que se calientan, produce diversos tonos, translucidez y texturas. También experimentaron con un filamento lleno de fibras de madera y una fibra de corcho, las cuales podían quemarse para producir rápidamente colores más oscuros.
Los investigadores demostraron cómo su método podría producir objetos como botellas de agua que son parcialmente transparentes. Para hacer las botellas de agua, plancharon el polímero espumante a bajas velocidades para crear áreas opacas y a altas velocidades, translúcidas. También utilizaron polímeros espumantes para crear mangos de bicicleta con diferente rugosidad para mejorar el agarre del ciclista.
Intentar producir objetos similares utilizando la impresión 3D tradicional multimaterial lleva mucho tiempo, a veces añade horas al proceso de impresión y consume más energía y materiales. Además, el planchado con velocidad modulada puede producir gradientes de textura y tono de grano fino que otros métodos no podrían lograr.
En el futuro, los investigadores quieren experimentar con otros materiales térmicamente sensibles, como los plásticos. También esperan explorar el uso del planchado con velocidad modulada para modificar las propiedades mecánicas y acústicas de ciertos materiales.
