Инженеры представили новую технику печати цветных объектов из пластика на простом 3D-принтере с одним соплом без использования дополнительных приспособлений. Для этого необходимо в несколько приемов напечатать нить, состоящую из цветных сегментов в нужных местах, а потом можно использовать этот филамент для обычной печати методом послойного наплавления. Кроме цвета метод также позволяет создавать нить из разных материалов.

Статья опубликована в ACM Digital Library.

Самый распространенный и доступный метод 3D-печати — моделирование методом наплавления (FDM). FDM-принтеры имеют один (иногда больше) экструдер, подающий филамент на подложку, и для печати разноцветных объектов нужно либо менять катушку филамента вручную, останавливая процесс печати, либо печатать на принтере с несколькими экструдерами, или использовать дополнительные приспособления для заправки сразу нескольких нитей.

Печать с помощью двух экструдеров повышает вероятность возникновения сдвигов, наплавлений и прочих дефектов, также этих дефектов трудно избежать и при ручной замене нити. Кроме того, ручная замена может потребоваться в процессе печати несколько раз, что может сильно увеличивать затраченное время и повышает вероятность брака при печати.

Дополнительные приспособления же нужно покупать отдельно, при этом они часто требуют определенных навыков и подготовки, усложняют и повышают стоимость печати. Существуют также многоцветные нити и материалы, способные менять свои цвет и свойства, однако это не универсальные решения, которые обычно недоступны рядовому пользователю.

Харуки Такахаши (Haruki Takahashi) из Университета Мэйдзи с коллегами предложили малозатратный метод печати из нитей разного цвета и даже материала на принтере всего с одним экструдером.

Метод предполагает создание с помощью 3D-принтера программируемой нити для каждого индивидуального проекта, которая в дальнейшем заправляется в 3D-принтер как обычный филамент. Длина и количество необходимых сегментов генерируется в формате G-кода на основе 3D-модели или 2D-изображения с помощью программного обеспечения для принтеров.

Разработанная учеными программа использует этот G-код для создания проекта будущей нити и предлагает оптимальные параметры печати. Принтер последовательно печатает нить в форме спирали, начиная от края к центру. Сначала идет печать всех сегментов одного цвета, и только потом другого, что значительно сокращает количество ручных замен нитей. Концы сегментов в процессе печати срезаются по диагонали, чтобы увеличить площадь контакта между сегментами, и дополнительно сплавляются стежками — дополнительными слоями филамента. Наплавление стежка и одновременно прохождение горячего сопла в месте контакта увеличивает прочность соединения.

Иллюстрация процесса создания многокомпонентной нити / Haruki Takahashi et al./ ACM Digital Library

Ученые опробовали свою технику на четырех различных принтерах с использованием филаментов разных цветов и различных материалов: полилактида, термопластичного полиуретана, акрилонитрил бутадиен стирола, поливинилацетата, нейлона. Один из образцов, напечатанных с помощью программируемой нити, состоял из пяти цветов, чего трудно добиться, используя даже мультиэкструдерные машины. Кроме этого инженеры напечатали макет часов, совмещающие твердую основу и гибкий ремешок, доказав возможность использования разнородных по составу материалов в своей методике.

Фигурки, напечатанные с использованием программируемой нити, где TPU – гибкий термопластичный полиуретан / Haruki Takahashi et al./ ACM Digital Library

Исследователи планируют доработать свой метод в дальнейших исследованиях и более подробно изучить механическое поведение композитных структур, а также увеличить прочность соединений между гетерогенными материалами. Уже на данном этапе методика сшивания нити обеспечивает хорошую прочность соединений, удешевляет и упрощает процесс печати.