С помощью систем 3D-струйной печати инженеры могут создавать гибридные конструкции, состоящие из мягких и жестких компонентов, например роботизированные захваты, которые достаточно сильны, чтобы захватывать тяжелые предметы, но достаточно мягки, чтобы безопасно взаимодействовать с людьми.
Эти системы 3D-печати из нескольких материалов используют тысячи сопел для нанесения крошечных капель смолы, которые разглаживаются скребком или валиком и отверждаются ультрафиолетовым светом. Но процесс сглаживания может раздавливать или размазывать смолы, которые медленно затвердевают, что ограничивает типы материалов, которые можно использовать.
Исследователи из Массачусетского технологического института, подразделения Inkbit MIT и ETH Zurich разработали новую систему 3D-струйной печати, которая работает с гораздо более широким спектром материалов. Их принтер использует компьютерное зрение для автоматического сканирования поверхности 3D-печати и регулировки количества смолы, наносимой каждым соплом, в режиме реального времени, чтобы гарантировать, что ни на каких участках не будет слишком много или слишком мало материала.
Поскольку для разглаживания смолы не требуются механические детали, эта бесконтактная система работает с материалами, которые отверждаются медленнее, чем акрилаты, традиционно используемые в 3D-печати. Некоторые химические материалы с более медленным отверждением могут обеспечить улучшенные характеристики по сравнению с акрилатами, например, большую эластичность, долговечность или долговечность.
Кроме того, автоматическая система вносит коррективы, не останавливая и не замедляя процесс печати, что делает этот принтер промышленного уровня примерно в 660 раз быстрее, чем сопоставимая система струйной 3D-печати.
Исследователи использовали этот принтер для создания сложных роботизированных устройств, сочетающих мягкие и жесткие материалы. Например, они создали полностью напечатанный на 3D-принтере роботизированный захват в форме человеческой руки, управляемый набором усиленных, но гибких сухожилий.
«Нашей ключевой идеей здесь была разработка системы машинного зрения и полностью активного контура обратной связи. Это почти то же самое, что наделить принтер глазами и мозгом, где глаза наблюдают за тем, что печатается, а затем мозг машины указывает, что следует печатать дальше», — говорит соавтор Войцех Матусик. , профессор электротехники и информатики в Массачусетском технологическом институте, возглавляющий группу вычислительного проектирования и производства в Лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта Массачусетского технологического института (CSAIL).
В работе над статьей к нему присоединяются ведущий автор Томас Бухнер, докторант ETH Zurich, соавтор Роберт Кацшманн, доктор философии ’18, доцент кафедры робототехники, возглавляющий лабораторию мягкой робототехники в ETH Zurich; а также другие участники ETH Zurich и Inkbit. Исследование появилось сегодня в Природа.
Контакт бесплатный
В этой статье рассматривается недорогой 3D-принтер, работающий с несколькими материалами, известный как MultiFab, который исследователи представили в 2015 году. Используя тысячи сопел для нанесения крошечных капель смолы, отверждаемых УФ-излучением, MultiFab позволил 3D-печать с высоким разрешением до 10 материалы сразу.
В этом новом проекте исследователи искали бесконтактный процесс, который расширил бы диапазон материалов, которые они могли бы использовать для изготовления более сложных устройств.
Они разработали метод, известный как струйная печать с визуальным контролем, в которой используются четыре камеры с высокой частотой кадров и два лазера, которые быстро и непрерывно сканируют поверхность печати. Камеры фиксируют изображения, когда тысячи сопел выбрасывают крошечные капли смолы.
Система компьютерного зрения преобразует изображение в карту глубины высокого разрешения. Вычисление занимает менее секунды. Он сравнивает карту глубины с моделью CAD (системы автоматизированного проектирования) изготавливаемой детали и регулирует количество наносимой смолы, чтобы объект оставался в точности с конечной структурой.
Автоматизированная система может вносить коррективы в любую отдельную насадку. Поскольку принтер имеет 16 000 сопел, система может контролировать мелкие детали изготавливаемого устройства.
«Геометрически он может напечатать практически все, что вы захотите, из нескольких материалов. Нет практически никаких ограничений в отношении того, что вы можете отправить на принтер, и то, что вы получите, будет действительно функциональным и долговечным», — говорит Кацшманн.
Уровень контроля, обеспечиваемый системой, позволяет ей очень точно печатать воском, который используется в качестве вспомогательного материала для создания полостей или сложной сети каналов внутри объекта. Воск напечатан под структурой во время изготовления устройства. После завершения объект нагревается, поэтому воск плавится и вытекает, оставляя открытые каналы по всему объекту.
Поскольку система может автоматически и быстро регулировать количество материала, подаваемого каждым из сопел, в режиме реального времени, системе не нужно перетаскивать механическую деталь по поверхности печати, чтобы удерживать ее ровно. Это позволяет принтеру использовать материалы, которые затвердевают более постепенно и могут размазываться скребком.
Превосходные материалы
Исследователи использовали систему для печати материалами на основе тиола, которые затвердевают медленнее, чем традиционные акриловые материалы, используемые в 3D-печати. Однако материалы на основе тиола более эластичны и не так легко ломаются, как акрилаты. Они также имеют тенденцию быть более стабильными в более широком диапазоне температур и не так быстро разлагаются под воздействием солнечного света.
«Это очень важные свойства, когда вы хотите создавать роботов или системы, которым необходимо взаимодействовать с реальной средой», — говорит Кацшманн.
Исследователи использовали материалы на основе тиола и воск для изготовления нескольких сложных устройств, которые в противном случае было бы практически невозможно создать с помощью существующих систем 3D-печати. Во-первых, они создали функциональную роботизированную руку с сухожильным приводом, которая имеет 19 независимо приводимых в действие сухожилий, мягкие пальцы с сенсорными подушечками и жесткие, несущие нагрузку кости.
«Мы также создали шестиногого шагающего робота, который может чувствовать объекты и хватать их, что стало возможным благодаря способности системы создавать герметичные интерфейсы из мягких и жестких материалов, а также сложные каналы внутри конструкции», — говорит Бюхнер.
Команда также продемонстрировала эту технологию с помощью насоса, напоминающего сердце, со встроенными желудочками и искусственными сердечными клапанами, а также метаматериалов, которые можно запрограммировать на получение нелинейных свойств материала.
“Это только начало. К этой технологии можно добавить удивительное количество новых типов материалов. Это позволяет нам использовать совершенно новые семейства материалов, которые раньше нельзя было использовать в 3D-печати», — говорит Матусик.
В настоящее время исследователи рассматривают возможность использования системы для печати гидрогелями, которые используются в тканевой инженерии, а также кремниевыми материалами, эпоксидными смолами и специальными типами прочных полимеров.
Они также хотят изучить новые области применения, такие как печать настраиваемых медицинских устройств, полировальных подушечек для полупроводников и даже более сложных роботов.
Это исследование частично финансировалось Credit Suisse, Швейцарским национальным научным фондом, Агентством перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США и Национальным научным фондом США.