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3D打印爱好者福音!用最便宜的打印机,打印结构复杂、颜色多样的成品!

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  大数据文摘出品

  作者:牛婉杨、陈之炎

  在3D打印界,FDM 3D打印机可以说是比较常见的一种,而且价格也相对友好。

  所谓 FDM (Fused Deposition Modeling),就是通过熔融层积成型来进行3D打印,即把热塑性材料,如蜡、ABS、尼龙等以丝状供料,这些材料会在喷头内被加热熔化,然后打印成型。

  这种方法的好处是热熔挤压头系统构造原理和操作简单,维护成本低,系统运行安全。不过也不乏有一些缺陷,比如成型件的表面有较明显的条纹,打印颜色单一等,即使采用双喷头也只能打印两种颜色。

  那如果只有FDM 3D打印机、还想打印出颜色丰富的成型件该怎么办?

  这不,在最近举行的ACM UIST大会上,来自明治大学、大阪大学以及德克萨斯A&M大学的研究人员发表了一项研究结果:仅利用FDM 3D打印机,无需增加额外硬件就能打印出结构复杂、颜色多样,甚至是不同材料组成的打印件。

  比如,打印一只蓝黑相间的小猫,它的爪子和尾巴都是白色,而耳朵内部是粉色的。

  

  以聚乳酸(PLA)为材料制成的四色打印件

  这只小猫是由单一材料制成的,那我们再来看个用不同材料打印而成的例子:

  

  这只表由两种材料制成:聚乳酸(PLA)和热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)。

  那他们是怎么做到的呢?

  实际上,他们是间接打印出小猫和手表的,也就是说,他们先打印出一根由不同材料制成的长丝,然后再利用这个长丝打印出他们想要的成型件。

  这个过程包括两个步骤:创建长丝和打印部件。实际上,部件的打印过程相当枯燥,和打印普通的部件过程没有什么区别,唯一不同的是,完成打印后,部件不同的地方有着不同的材料,研究人员需要将这些材料预先编程到长丝中的,并准确地指明它们所在的位置和长度。

  毋庸置疑,在制作长丝的过程中涉及了大量的计算,因为这些长丝必须在它的结构中体现出最终物体中每一种材料的位置,这就变得非常复杂,因为它取决于物体的几何形状和打印头的路径。

  因此,研究人员设计了一款“长丝设计软件”,使用该软件可以生成每段长度和材料的G-code (数控编程语言):

  

  然后再把设计好的长丝打印出来:

  

  光打印出来还不行,因为即便是一个简单的部件,它的长丝也可能涉及从一种材料到另一种材料的多种过渡。假设打印一个半红半蓝的杯子,由于打印头路径的顶部是红色的,底部是蓝色的,这便涉及到长丝中的一个过渡:一边是红色的,另一边是蓝色的,每一个打印层都有两个过渡。

  

  长丝的打印程序:(a)从一种颜色开始打印,(b)所有部分打印完成后暂停,此时允许用户更换材料。(c-d)3D打印机打印剩余的部分,避免与先前的部分冲突,(e)然后打印缝线连接相邻的片段。

  所以,还得把长丝衔接起来(如上述过程(e)),展示出来的话是这样的:

  

  长丝本身是螺旋型打印,一次打印一种材料,打印完之后,可以手动加载下一种材料,打印机会在正确的位置将新的材料添加到长丝上。重复这个过程,研究人员已经成功地打印出由六种材料组成的长丝了!长丝打印好之后,需要将其从打印床上取下,重置打印机,输入刚刚创建的长丝,启动打印机创建新部件。

  在打印成品件时,变换颜色是没什么问题的,不过,材料过渡时,可能并没有想象中那么顺利,甚至可能会遇到bug。在这种情况下,可以通过修改打印的填充或密度,使过渡不那么明显,或者特意将两种或多种材料组合成一片长丝来制成一种混合结构。

  最后来个作品大合集!

  

  不过,研究人员也指出,他们的软件和技术适用于大多数(但不是所有)3D打印机,在工作时还应仔细校准和监控打印机。在未来的工作中,他们希望能优化打印定制长丝的过程,让普通人也能更容易上手。

  那网友们怎么看?项目一经发布也获得了很多网友的好评,甚至唤起了有些网友对3D打印的兴趣,还向作者问道,“你打算公开这个软件让公众使用吗?”

  

  最后的最后,文摘菌还是放上论文地址,感兴趣的小伙伴可以去研究一下!

  

  论文地址:

  https://dl.acm.org/doi/pdf/10.1145/3379337.3415863

  相关视频:

  https://www.youtube.com/watch?v=pNeKJnb--Dw&feature=youtu.be

  相关报道:

  https://spectrum.ieee.org/tech-talk/consumer-electronics/gadgets/programmable-filament-gives-even-simple-3d-printers-multimaterial-capabilities

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