새로운 3D 프린팅 기술은 빠르고 낭비 없이 독특한 물체를 만들어냅니다.

다중 소재 3D 프린팅을 통해 제조업체는 다양한 색상과 질감의 맞춤형 장치를 제작할 수 있습니다. 그러나 기존 3D 프린터는 여러 노즐을 전환해야 하며 종종 다른 소재를 증착하기 전에 한 소재를 폐기해야 하기 때문에 이 프로세스는 시간이 많이 걸리고 낭비적일 수 있습니다.

MIT와 델프트 공과대학의 연구자들은 이제 열 반응형 소재를 활용하여 여러 색상, 음영 및 질감을 가진 물체를 한 단계로 인쇄하는, 보다 효율적이고 낭비가 적으며 정밀도가 높은 기술을 도입했습니다.

속도 조절 다림질이라고 불리는 그들의 방법은 듀얼 노즐 3D 프린터를 활용합니다. 첫 번째 노즐은 열에 반응하는 필라멘트를 증착하고 두 번째 노즐은 인쇄된 소재 위로 지나가면서 열을 사용하여 불투명도나 거칠기의 변화와 같은 특정 반응을 활성화합니다.

두 번째 노즐의 속도를 제어함으로써 연구자들은 재료를 특정 온도로 가열하여 열 반응 필라멘트의 색상, 음영 및 거칠기를 미세하게 조정할 수 있습니다. 중요한 점은 이 방법이 하드웨어 수정을 필요로 하지 않는다는 것입니다.

연구자들은 "다림질" 노즐이 속도에 따라 재료에 전달하는 열의 양을 예측하는 모델을 개발했습니다. 그들은 이 모델을 색상, 음영 및 질감 사양을 달성하는 인쇄 지침을 자동으로 생성하는 사용자 인터페이스의 기반으로 사용했습니다.

인쇄된 물체의 색상을 다양하게 하여 예술적 효과를 내기 위해 속도 조절 다림질을 사용할 수 있습니다. 이 기술은 손이 약한 사람이 잡기 쉬운 질감이 있는 손잡이를 만들어낼 수도 있습니다.

"오늘날 우리는 몇 가지 잉크를 스마트하게 조합하여 다양한 색조와 질감을 생성하는 데스크톱 프린터를 보유하고 있습니다. 우리는 3D 프린터로도 동일한 작업을 수행할 수 있기를 원합니다. 제한된 재료 세트를 사용하여 3D 인쇄 대상에 대해 훨씬 더 다양한 특성을 생성합니다." 속도 조절 다림질에 대한 논문의 공동 저자인 박사 학위 '24인 Mustafa Doga Dogan의 말입니다.

이 프로젝트는 TU Delft의 조교수인 Zjenja Doubrovski와 MIT의 전기공학 및 컴퓨터 과학(EECS) 부서의 TIBCO 경력 개발 교수이자 MIT 컴퓨터 과학 및 인공지능 연구소(CSAIL)의 일원인 Stefanie Mueller의 연구 그룹 간의 협업입니다. Dogan은 TU Delft의 수석 저자인 Mehmet Ozdemir, MIT의 기계 공학 대학원생인 Marwa AlAlawi, TU Delft의 Jose Martinez Castro와 긴밀히 협력했습니다. 이 연구는 ACM 사용자 인터페이스 소프트웨어 및 기술 심포지엄에서 발표될 예정입니다.

온도를 제어하기 위한 속도 조절

연구자들은 단일 소재로 다중 속성 3D 프린팅을 달성하는 더 나은 방법을 탐색하기 위해 이 프로젝트를 시작했습니다. 열 반응 필라멘트를 사용하는 것은 유망했지만, 대부분의 기존 방법은 단일 노즐을 사용하여 프린팅과 가열을 수행합니다. 프린터는 항상 소재를 증착하기 전에 먼저 노즐을 원하는 목표 온도로 가열해야 합니다.

그러나 노즐을 가열하고 냉각하는 데 시간이 오래 걸리고, 노즐의 필라멘트가 고온에 도달하면 분해될 위험이 있습니다.

이러한 문제를 방지하기 위해, 연구팀은 하나의 노즐을 사용하여 소재를 인쇄한 다음, 두 번째 빈 노즐로 활성화하여 소재를 재가열하는 다림질 기법을 개발했습니다. 연구자들은 소재 반응을 유발하기 위해 온도를 조정하는 대신, 두 번째 노즐의 온도를 일정하게 유지하고 인쇄된 소재 위로 이동하는 속도를 변화시켜 층의 상단을 살짝 만집니다.

속도 조절 다림질에서 듀얼 노즐 3D 프린터의 첫 번째 노즐은 열에 반응하는 필라멘트를 증착한 다음 두 번째 노즐은 인쇄된 소재 위로 지나가면서 불투명도나 거칠기의 변화와 같은 특정 반응을 열을 사용하여 활성화합니다. "속도를 조절하면 다림질하는 인쇄된 레이어가 다른 온도에 도달할 수 있습니다. 이는 손가락을 불꽃 위로 움직일 때 발생하는 현상과 비슷합니다. 손가락을 빠르게 움직이면 화상을 입지 않을 수 있지만 천천히 불꽃 위로 끌면 손가락이 더 높은 온도에 도달합니다." AlAlawi가 말합니다.

MIT 팀은 TU 델프트 연구원들과 협력하여 재료를 특정 온도까지 가열하기 위해 두 번째 노즐이 얼마나 빨리 움직여야 하는지 예측하는 이론적 모델을 개발했습니다.

이 모델은 재료의 출력 온도와 열 반응 속성을 연관시켜 인쇄물에서 특정 색상, 음영 또는 질감을 구현하는 데 필요한 정확한 노즐 속도를 결정합니다.

"우리가 얻는 결과에 영향을 줄 수 있는 입력이 많이 있습니다. 우리는 매우 복잡한 것을 모델링하고 있지만, 결과가 세분화되도록 하려고 합니다." AlAlawi가 말했습니다.

팀은 과학 문헌을 파헤쳐 고유한 재료 세트에 대한 적절한 열 전달 계수를 결정하고 이를 모델에 내장했습니다. 또한 팬에 의해 소산될 수 있는 열과 물체가 인쇄되는 실내의 기온과 같은 예측할 수 없는 변수의 배열과도 싸워야 했습니다.

그들은 이 모델을 사용자 친화적인 인터페이스에 통합하여 과학적 과정을 단순화하고, 제작자의 3D 모델의 픽셀을 자동으로 일련의 기계 명령으로 변환하여 듀얼 노즐로 물체를 인쇄하고 다림질하는 속도를 제어합니다.

더 빠르고 더 정교한 제작

그들은 세 개의 열 반응성 필라멘트로 그들의 접근 방식을 테스트했습니다. 첫 번째는 가열되면 확장되는 입자가 있는 발포 폴리머로, 다양한 색조, 반투명도 및 질감을 제공합니다. 그들은 또한 나무 섬유로 채워진 필라멘트와 코르크 섬유로 채워진 필라멘트로 실험했는데, 둘 다 탄화되어 점점 더 어두운 색조를 생성할 수 있습니다.

연구자들은 그들의 방법이 부분적으로 반투명한 물병과 같은 물체를 어떻게 생산할 수 있는지 보여주었습니다. 물병을 만들기 위해, 그들은 발포 폴리머를 낮은 속도로 다림질하여 불투명한 영역을 만들고, 더 높은 속도로 다림질하여 반투명한 영역을 만들었습니다. 그들은 또한 발포 폴리머를 사용하여 라이더의 그립을 개선하기 위해 다양한 거칠기를 가진 자전거 핸들을 제작했습니다.

기존의 다중 소재 3D 프린팅을 사용하여 유사한 물체를 생산하려고 하면 훨씬 더 많은 시간이 걸렸고, 때로는 인쇄 과정에 몇 시간을 더 추가했으며, 더 많은 에너지와 재료를 소모했습니다. 또한 속도 조절 다림질은 다른 방법으로는 달성할 수 없는 미세한 음영과 질감 그라디언트를 생성할 수 있었습니다.

앞으로 연구자들은 플라스틱과 같은 다른 열 반응성 소재를 실험하고 싶어합니다. 또한 속도 조절 다림질을 사용하여 특정 소재의 기계적 및 음향적 특성을 수정하는 방법을 탐구하고자 합니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/10/241011141558.htm