Nova técnica de impressão 3D cria objetos únicos rapidamente e com menos desperdício

Ao usar uma impressora 3D como um ferro, os pesquisadores podem controlar com precisão a cor, a tonalidade e a textura dos objetos fabricados, usando apenas um material.

A impressão 3D multimaterial permite que os fabricantes fabricem dispositivos personalizados com múltiplas cores e texturas variadas. Mas o processo pode ser demorado e dispendioso porque as impressoras 3D existentes devem alternar entre vários bicos, muitas vezes descartando um material antes de começarem a depositar outro.

Pesquisadores do MIT e da Universidade de Tecnologia de Delft introduziram agora uma técnica mais eficiente, com menos desperdício e de maior precisão que utiliza materiais sensíveis ao calor para imprimir objetos que possuem múltiplas cores, tonalidades e texturas em uma única etapa.

Seu método, denominado engomar com velocidade modulada, utiliza uma impressora 3D de bico duplo. O primeiro bocal deposita um filamento sensível ao calor e o segundo bocal passa sobre o material impresso para ativar certas respostas, como mudanças na opacidade ou aspereza, usando calor.

Ao controlar a velocidade do segundo bico, os pesquisadores podem aquecer o material a temperaturas específicas, ajustando com precisão a cor, tonalidade e rugosidade dos filamentos sensíveis ao calor. É importante ressaltar que este método não requer nenhuma modificação de hardware.

Os pesquisadores desenvolveram um modelo que prevê a quantidade de calor que o bico de “passar” transferirá para o material com base em sua velocidade. Eles usaram esse modelo como base para uma interface de usuário que gera automaticamente instruções de impressão que atendem às especificações de cor, tonalidade e textura.

Pode-se usar o engomar com velocidade modulada para criar efeitos artísticos, variando a cor de um objeto impresso. A técnica também poderia produzir cabos texturizados que seriam mais fáceis de agarrar por indivíduos com fraqueza nas mãos.

“Hoje, temos impressoras de mesa que usam uma combinação inteligente de algumas tintas para gerar uma variedade de tons e texturas. Queremos ser capazes de fazer a mesma coisa com uma impressora 3D – usar um conjunto limitado de materiais para criar um ambiente muito conjunto mais diversificado de características para objetos impressos em 3D”, diz Mustafa Doga Dogan PhD '24, coautor de um artigo sobre engomar com velocidade modulada.

Este projeto é uma colaboração entre os grupos de pesquisa de Zjenja Doubrovski, professora assistente da TU Delft, e Stefanie Mueller, professora de desenvolvimento de carreira da TIBCO no Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação (EECS) do MIT e membro do MIT Computer Science. e Laboratório de Inteligência Artificial (CSAIL). Dogan trabalhou em estreita colaboração com o autor principal Mehmet Ozdemir da TU Delft; Marwa AlAlawi, estudante de graduação em engenharia mecânica no MIT; e José Martinez Castro da TU Delft. A pesquisa será apresentada no Simpósio ACM sobre Software e Tecnologia de Interface de Usuário.

Modulação de velocidade para controlar a temperatura

Os pesquisadores lançaram o projeto para explorar melhores maneiras de obter impressão 3D em múltiplas propriedades com um único material. O uso de filamentos sensíveis ao calor era promissor, mas a maioria dos métodos existentes utiliza um único bico para impressão e aquecimento. A impressora sempre precisa primeiro aquecer o bico até a temperatura desejada antes de depositar o material.

No entanto, o aquecimento e o resfriamento do bocal demoram muito tempo e existe o perigo de o filamento no bocal se degradar à medida que atinge temperaturas mais altas.

Para evitar esses problemas, a equipe desenvolveu uma técnica de engomagem em que o material é impresso com um bico e depois ativado por um segundo bico vazio que apenas o reaquece. Em vez de ajustar a temperatura para acionar a resposta do material, os pesquisadores mantêm constante a temperatura do segundo bico e variam a velocidade com que ele se move sobre o material impresso, tocando levemente o topo da camada.

“À medida que modulamos a velocidade, isso permite que a camada impressa que estamos passando atinja diferentes temperaturas. É semelhante ao que acontece se você passar o dedo sobre uma chama. arraste-o lentamente pela chama, seu dedo atingirá uma temperatura mais alta”, diz AlAlawi.

A equipe do MIT colaborou com os pesquisadores da TU Delft para desenvolver o modelo teórico que prevê a rapidez com que o segundo bocal deve se mover para aquecer o material a uma temperatura específica.

O modelo correlaciona a temperatura de saída de um material com suas propriedades de resposta ao calor para determinar a velocidade exata do bico que atingirá determinadas cores, tonalidades ou texturas no objeto impresso.

“Há muitas informações que podem afetar os resultados que obtemos. Estamos modelando algo que é muito complicado, mas também queremos ter certeza de que os resultados sejam refinados”, diz AlAlawi.

A equipe investigou a literatura científica para determinar os coeficientes de transferência de calor adequados para um conjunto de materiais exclusivos, que eles incorporaram em seu modelo. Eles também tiveram que lidar com uma série de variáveis ​​imprevisíveis, como o calor que pode ser dissipado pelos ventiladores e a temperatura do ar na sala onde o objeto está sendo impresso.

Eles incorporaram o modelo em uma interface amigável que simplifica o processo científico, traduzindo automaticamente os pixels do modelo 3D do fabricante em um conjunto de instruções de máquina que controlam a velocidade com que o objeto é impresso e passado pelos bicos duplos.

Fabricação mais rápida e precisa

Eles testaram sua abordagem com três filamentos sensíveis ao calor. O primeiro, um polímero espumante com partículas que se expandem à medida que são aquecidos, produz diferentes tonalidades, translucidez e texturas. Eles também experimentaram um filamento preenchido com fibras de madeira e outro com fibras de cortiça, que podem ser carbonizados para produzir tons cada vez mais escuros.

Os pesquisadores demonstraram como seu método poderia produzir objetos como garrafas de água parcialmente translúcidos. Para fazer as garrafas de água, eles passaram o polímero espumante em baixas velocidades para criar regiões opacas e em velocidades mais altas para criar regiões translúcidas. Eles também utilizaram o polímero espumante para fabricar uma alça de bicicleta com rugosidade variada para melhorar a aderência do ciclista.

Tentar produzir objetos semelhantes usando a impressão 3D multimaterial tradicional levava muito mais tempo, às vezes acrescentando horas ao processo de impressão, e consumia mais energia e material. Além disso, o engomar com velocidade modulada pode produzir gradientes de tonalidade e textura de granulação fina que outros métodos não conseguem alcançar.

No futuro, os pesquisadores querem fazer experiências com outros materiais termicamente responsivos, como os plásticos. Eles também esperam explorar o uso de engomar com velocidade modulada para modificar as propriedades mecânicas e acústicas de certos materiais.

Artigo: “Engomar com velocidade modulada: gradientes de tonalidade e textura de alta resolução em impressão 3D de material único”