全文3000字，阅读需7分钟。本文分享MIT与DU Delft联和开发的全新的基于FDM的调速烫熨技术。
如果觉得AM易道文章有价值，请读者朋友帮忙转发点赞在看评论，支持AM易道创作。
AM易道本文与文中提到公司不存在任何形式的商业合作、赞助、雇佣等利益关联。
AM易道欢迎读者投稿共创并对公众号开放白名单，有兴趣的公众号主请点击查看转载说明。图片视频来自于网络，仅作为辅助阅读之用途，无商业目的。版权归原作者所有，如有任何侵权行为，请权利人及时联系，我们将在第一时间删除。
AM易道导语：
本文分享的是一项名为"速度调制烫印"(Speed-Modulated Ironing)的全新3D打印技术。
由麻省理工学院MIT和代尔夫特理工大学DU Delft联合研究团队开发的全新非金属成型技术。
虽直译为速度调制烫印，但AM易道称之为“基于FDM的调速烫熨技术”，其巧妙地利用温度响应性材料的特性，通过精确控制二次加热过程，实现了单材料FDM打印中高分辨率的颜色、纹理和透明度渐变效果。
其核心价值在于，AM易道认为，无需改造现有FDM硬件，即可在单一材料中实现复杂的视觉和触觉效果，大大提升了3D打印的表现力和应用范围。
这一突破性技术不仅为个性化产品设计开辟了新途径，还有望在功能性部件制造、艺术创作等多个领域带来革命性变革。
技术原理：巧用温度响应，实现精细控制
调速烫熨技术的核心在于巧妙利用了某些3D打印材料对温度的敏感特性。
研究团队选用了三种具有温度响应性的材料进行实验：一种泡沫化材料(LW-PLA)，以及含有木质纤维(Woodfill)和软木颗粒(Corkfill)的PLA材料。
这些材料在受热后会产生不同程度的颜色变化、表面纹理变化或透明度变化。
传统的FDM打印方法在改变打印材料属性时，通常依赖于改变喷嘴温度。
然而，喷嘴温度的调节速度较慢，难以实现高分辨率的属性变化。调速烫熨技术巧妙地解决了这一问题。
该技术使用双喷头FDM3D打印机，第一个喷头以较低温度进行常规打印，而第二个喷头则在打印完成后以恒定的高温对已打印的层进行"烫印"处理。
当烫印速度较慢时，材料会受到更多热量，从而产生更明显的温度响应；反之，高速烫印则会减少热量传递，使材料保持原状。
通过在一层内快速精确地调节烫印速度，研究人员实现了对材料属性的高分辨率控制。
与需要在多个喷嘴之间切换的传统方法不同，这种技术使用双喷头打印机，一个用于沉积材料，另一个专门用于"熨烫"处理。
这种方法不仅提高了效率，还大大减少了材料浪费。
传统方法在切换材料时常常需要丢弃一部分材料，而调速烫熨技术则完全避免了这个问题。
硬件设置与成型过程
调速烫熨技术的一大优势在于它不需要对现有的双喷头FDM打印机进行任何硬件改造。
读者朋友们也可以以此思路用手头的双喷头FDM进行DIY尝试。
研究团队使用了Ultimaker S5、S3和S7等型号的打印机进行实验。这些打印机的双喷头结构为实现该技术提供了理想的硬件基础。
具体的硬件设置和成型过程如下：
打印准备：将温度响应性材料（如LW-PLA、Woodfill或Corkfill）装载到第一个喷头中。第二个喷头保持空置状态，仅用于后续的烫印过程。
打印参数设置：第一个喷头（打印喷头）的温度设置相对较低，通常在200°C左右，以避免在初始打印阶段触发材料的温度响应。层高设置为0.15mm，线宽为0.4mm。
烫印喷头设置：第二个喷头（烫印喷头）的温度设置较高，根据不同材料有所不同。例如，对于Woodfill和Corkfill，烫印温度设为340°C；而对于LW-PLA，则设为300°C。
打印过程：首先，第一个喷头按照常规FDM打印方式完成一层的打印。
烫印过程：在每一层打印完成后，第二个喷头（烫印喷头）会对刚打印的层进行烫印处理。烫印喷头的高度与打印层的顶部持平，确保有足够的热量传递。
速度调制：烫熨过程中，通过精确控制烫印喷头的移动速度来调节加热程度。速度范围因材料而异，例如Woodfill的烫印速度范围为1.5-10mm/s，而LW-PLA的范围为1-60mm/s。
层间处理：完成一层的烫印后，打印平台下降一个层高，重复上述过程，直至整个模型完成。
值得注意的是，这种技术不需要对现有的双喷头FDM打印机进行任何硬件改造，这大大降低了技术应用的门槛。
研究团队开发的理论模型能够精确预测第二个喷头（烫印喷头）的移动速度与材料加热温度之间的关系。这个模型考虑了多个复杂因素，包括材料的热响应特性、环境温度等，从而实现了对打印过程的精确控制。
整个成型过程由专门开发的软件工具控制，该工具能够将设计的视觉或触觉效果转换为精确的烫印速度指令，从而实现对每一层、每一点的精确控制。
软件实现：智能设计工具助力精准控制
为了使这项技术更易于使用，研究团队开发了一款专门的设计工具。这个工具的用户界面直观易用，允许用户轻松地将所需的视觉或触觉属性应用到3D模型上。
使用流程大致如下：
用户首先选择要使用的材料和输入模式。
然后指定包含输入文件的项目目录。
如果使用纹理OBJ模式，工具会将纹理网格转换为烫印路径，并显示生成的gcode预览图像。
最后，用户点击"生成gcode"，即可导出可直接用于打印的文件。
这个工具的核心功能是将用户定义的视觉或触觉属性转换为精确的烫印速度指令。它利用了预先建立的查找表，这些表格基于理论模型和实验数据，能够准确地将所需的颜色、纹理或透明度值映射到相应的烫印速度上。
这个界面能够自动将设计师的3D模型中的像素信息转换为一系列精确的机器指令，控制双喷头打印机的打印和烫印速度。
这种自动化处理简化了操作流程，使得即使是非专业用户也能轻松创造出具有复杂视觉效果的3D打印作品。
应用展示：从装饰艺术到功能部件
调速烫熨技术的应用潜力令人惊叹。研究团队通过一系列示例展示了这项技术的多样化应用可能。
颜色渐变与图案设计
研究人员使用Corkfill和Woodfill材料打印了一系列装饰性花瓶。这些花瓶表面呈现出精美的图案和渐变效果，充分展示了该技术在装饰艺术领域的应用潜力。
研究人员还成功打印出了一个猫头鹰雕像的彩色模型。
透明度控制
研究团队展示了使用"自然色"LW-PLA材料打印的透明液体容器。通过控制烫印速度，研究人员实现了容器某些区域的不透明化，而其他区域保持透明。
这种技术在制作具有特殊视觉效果的容器、灯具或装饰品方面有着广阔的应用前景。
触觉纹理定制
除了视觉效果，调速烫熨技术还能创造出独特的触觉体验。研究团队展示了一个使用黑色LW-PLA材料打印的自行车把手。
通过精确控制表面粗糙度，研究人员在把手上创造出了不同的握感区域，既提高了握持舒适度，又增添了美观性。
研究人员还展示了一个更为精细的应用：
使用普通PLA材料打印的扬声器外壳，其上的触摸按钮区域比周围更光滑。这不仅提供了更好的触感，还在视觉上明确指示了可触摸的区域。
AM易道认为，这些应用示例充分展示了调速烫熨技术的多样性。
从装饰性物品到功能性部件，这项技术都能带来显著的改进和创新。
它为产品设计师提供了一个强大的工具，使得在单一材料中实现复杂的视觉和触觉效果成为可能，从而大大拓展了3D打印的应用范围。
技术评估：精确度与分辨率的突破
为了全面评估技术的性能，研究团队进行了一系列严格的技术测试。
这些测试主要集中在两个方面：颜色差异的可控性和细节再现能力。
研究人员使用CIELAB色彩空间和ΔE指标来量化颜色差异。他们设计了一个包含参考区域和采样区域的测试样本，通过控制光照条件进行精确测量。
测试结果令人振奋。对于三种材料，通过调节烫印速度，可以实现非常显著的颜色变化。
研究团队展示了Woodfill、LW-PLA和Corkfill材料在不同烫印速度下的颜色变化效果。这些图片直观地呈现了烫印速度与颜色变化之间的关系。
研究团队还设计了一系列测试图案来评估技术的细节再现能力。
这些测试图案包括QR码、平滑渐变、细线条和快速颜色转换等。
在细节再现方面表现很出色。对于所有测试材料，QR码都能被普通智能手机摄像头识别，圆形渐变呈现出平滑均匀的过渡效果。
在文字可读性测试中，LW-PLA材料能够清晰再现最小9pt的字体，而Woodfill和Corkfill材料的最小可读字体为14pt。
这一结果表明，该技术在制作带有小型文字或标记的3D打印品时具有良好的应用前景。
最后，研究团队还测试了技术在再现照片级图像方面的能力。
使用Corkfill和Woodfill材料打印的人像照片展现出丰富的细节和足够的对比度，证明了该技术在复制复杂图像方面的潜力。
AM易道认为，这些技术评估结果充分证明了调速烫熨技术在颜色控制和细节再现方面的卓越性能。
高效率：以打印带有爱因斯坦图像的杯子为例，使用该技术的打印时间为2小时30分钟，相比之下，双色打印需要3小时50分钟，四色打印则需要14小时30分钟。
然而，当前技术也存在一些局限性。例如，目前主要在Ultimaker打印机上进行了测试，未来需要进一步适配其他FDM打印机型号。
此外，当前版本的设计工具仅处理物体的外表面，未来还可扩展到处理内部结构。
艺术创作领域将迎来新的可能性，艺术家可利用这项技术创作出具有细腻色彩过渡和丰富纹理的作品。
在教育与原型设计方面，该技术简化了复杂视觉效果的制作过程，有利于快速原型设计和教育演示。
医疗领域也将受益，可用于制作具有逼真触感和视觉特征的医疗模型或假肢。
在数据可视化方面，通过将数据映射到3D打印物体的颜色和纹理变化上，可创造出直观的触摸式模型。此外，该技术还可用于防伪和产品追溯，利用其高分辨率细节在产品上添加难以仿制的独特标记。
这些多样化的应用展示了技术的巨大潜力，有望在多个行业中带来创新和突破，推动3D打印技术向更广泛、更深入的应用领域发展。
研究团队未来计划探索更多热敏材料的应用可能，如各种塑料材料。
他们还希望进一步拓展技术的应用范围，不仅限于改变材料的视觉和触觉特性，还要探索如何通过调速烫印技术来改变某些材料的机械和声学特性。
这将为功能梯度材料的研究和应用开辟新的道路。
（正文内容结束）
联系AM易道编辑：
加编辑个人微信 amyidao（务必注明来意）：投稿、广告、合作、加入读者微信群、讨论文章内容、兴趣话题，前沿消息、行业内情、共同洞见3D打印的未来图景。
