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在 3D 打印中，传统 G-Code 控制辅助设备存在缺陷、影响打印效率等问题。研究人员开展了关于 Time Code（T-Code）的研究，结果显示 T-Code 能减少缺陷、提升打印速度等，为 3D 打印发展带来新突破。
3D 打印，这个充满未来感的技术，近年来在众多领域掀起了创新浪潮。从制造复杂的航空零件，到构建个性化的医疗植入物，它的应用范围不断拓展。其中，直接墨水书写（DIW）作为一种材料挤出 3D 打印技术，凭借能处理多种有机和无机材料的优势，备受关注。它还能搭配多功能 3D 打印头，实现多材料切换、混合、原位固化等功能，为制造多功能、复杂结构提供了可能。
然而，传统的 Geometry Code（G-Code）作为控制挤出式 3D 打印机打印路径的标准编程语言，却在发展中暴露出诸多问题。G-Code 起源于 20 世纪 50 年代的计算机数控（CNC）机器，那时 3D 打印还未诞生。它逐行执行的方式，使得辅助控制命令的插入会中断打印路径运动。比如在多材料打印时，材料切换命令会导致打印机频繁减速、停止，进而产生过挤出缺陷。而且，为解决 G-Code 中断带来的问题，一些商业熔丝制造（FFF）打印机采用线性推进技术，但该技术存在压力预测值需实验校准、无法适应 DIW 中材料的时变特性等局限。同时，打印路径的频繁中断还会增加打印时间，随着研究人员追求更高分辨率，这一问题愈发严重。
为了攻克这些难题，来自约翰斯?霍普金斯大学（Johns Hopkins University）的研究人员展开了深入研究。他们提出了一种名为 Time Code（T-Code）的通用时间同步方法，将辅助设备控制与 G-Code 分离，为 3D 打印带来了新的曙光。这项研究成果发表在《Nature Communications》上，为 3D 打印领域的发展指明了新方向。
在研究过程中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：一是通过自定义 Python 脚本实现辅助设备命令与 G-Code 打印路径的解耦和同步控制；二是利用多种连接方式（如物理和虚拟 RS-232 连接、TCP/IP 网络等）建立 3D 打印机与 Python 之间的通信；三是通过实验测定 3D 打印机与 Python 之间的时间延迟，并进行相应调整，以确保系统同步 。
Time Code-based 3D printing
研究人员通过自定义 Python 脚本，将辅助设备命令从 G-Code 打印路径中分离出来。先导入包含辅助命令位置的传统 G-Code，脚本识别并区分运动命令和辅助命令，将中断的 G-Code 运动整合为连续路径，再根据打印速度和加速度生成 3D 打印机的速度曲线，计算辅助命令的时间戳。在系统连接方面，他们成功运用多种方式建立 3D 打印机与 Python 的连接，并通过实验测定并调整时间延迟，确保系统同步。此外，研究发现，采用线性速度模式近似 3D 打印机速度曲线，在多种速度和加速度条件下都能取得有效结果，验证了 T-Code 可作为通用且低成本的解决方案，适用于多种 3D 打印机。
Time Code-based fabrication of functional objects
利用 T-Code，研究人员制造出多种传统 G-Code 难以实现的结构。在制造功能梯度结构方面：
- Filament diameter gradients：通过调整固定直径喷嘴的挤出压力来改变流量，T-Code 实现了丝状物体横截面的无缝变化。在可变轮廓填充应用中，相比传统方法，T-Code 能提高零件精度、简化打印路径并减少打印时间，还能有效填充尖锐方向变化处的间隙，保持更一致的层高。而且，T-Code 制造的梯度丝能实现离散零件的局部填充密度变化，显著提升结构的机械性能，如增强能量吸收和韧性。
- Compositional gradients：研究人员利用材料切换打印头，通过同时共挤出不同比例的材料，结合 T-Code，在保持恒定打印速度的同时实现了体素级的成分变化。以光学颜色混合为例，他们 3D 打印出具有连续颜色梯度、离散颜色变化或两者结合的细丝，展示了 T-Code 在精确控制材料成分方面的优势。不过，该共挤出方法存在打印头方向依赖性的局限，未来可通过旋转共挤出喷嘴等方式解决。
在Scalability and parallelization for mass customization方面，T-Code 通过解耦打印头的几何和功能控制，提升了 3D 打印的可扩展性，实现了大规模定制。研究人员将多个打印头集成到单个 3D 打印机或龙门平台上，每个打印头可独立运行。他们通过将大型结构划分为多个小部分，由不同打印头同时打印，有效减少了打印时间。在打印 180mm×180mm 的景观图像时，T-Code 实现了无缝材料切换，打印时间缩短为单喷嘴方法的三分之一。同时，这种并行化方法还可用于不同结构的大规模定制，如同时打印空心半球、三棱柱和立方锥台等结构，在快速原型设计和生物力学设备定制等领域具有潜在应用价值。
研究人员开发的 T-Code 方法为 3D 打印路径功能化带来了创新变革。它有效解决了传统 G-Code 在控制辅助设备时的缺陷，提升了打印精度、速度和质量，让低成本桌面打印机也能达到高端打印机的打印质量。T-Code 在压力驱动系统中优势明显，且适用于多种材料、挤出机类型及相关应用。虽然目前研究受外部硬件和软件限制，但随着未来在打印头、材料和零件设计等方面的进步，T-Code 有望在生物、电气、光学和机械等多个领域制造出可扩展的多功能结构，推动 3D 打印技术迈向新的高度。
