Nature: Новый 3d-принтер станет зрячим и развяжет руки инженерам

С помощью систем струйной 3D-печати инженеры могут создавать гибридные конструкции, состоящие из мягких и жестких компонентов, например, роботизированные захваты, достаточно прочные для захвата тяжелых предметов, но достаточно мягкие для безопасного взаимодействия с человеком.

В этих многоматериальных системах 3D-печати используются тысячи сопел для нанесения крошечных капель смолы, которые разглаживаются скребком или валиком и отверждаются под действием УФ-излучения. Однако процесс разглаживания может смять или размазать смолу, которая отверждается медленно, что ограничивает возможности использования материалов.

Исследователи из Массачусетского технологического института, компании Inkbit и Высшей технической школы Цюриха разработали новую систему струйной 3D-печати, которая работает с гораздо более широким спектром материалов. Принтер использует компьютерное зрение для автоматического сканирования поверхности 3D-печати и регулировки количества смолы, подаваемой каждой форсункой в режиме реального времени, чтобы не допустить переизбытка или недостатка 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 составы материалов с более медленным отверждением могут иметь улучшенные характеристики по сравнению с акрилатами, например, большую эластичность, прочность или долговечность.

Кроме того, автоматическая система вносит коррективы, не останавливая и не замедляя процесс печати, что делает этот принтер производственного класса примерно в 660 раз быстрее, чем аналогичная система струйной 3D-печати.

Исследователи использовали этот принтер для создания сложных роботизированных устройств, сочетающих мягкие и жесткие материалы. Например, они изготовили полностью 3D-печатный роботизированный захват, по форме напоминающий человеческую руку и управляемый набором армированных, но гибких сухожилий.

Ключевым моментом здесь была разработка системы машинного зрения и полностью активного контура обратной связи. Это почти то же самое, что наделить принтер набором глаз и мозгом, где глаза наблюдают за тем, что печатается, а мозг машины направляет ее, что печатать дальше, — говорит соавтор статьи Войцех Матусик, профессор электротехники и информатики Массачусетского технологического института, возглавляющий группу вычислительного проектирования и изготовления изделий в Лаборатории вычислительной техники и искусственного интеллекта Массачусетского технологического института (CSAIL).

В работе над статьей принимают участие ведущий автор Томас Бухнер (Thomas Buchner), докторант ETH Zurich, соавтор Роберт Кацшманн (Robert Katzschmann), PhD '18, доцент кафедры робототехники, возглавляющий лабораторию мягкой робототехники ETH Zurich, а также другие сотрудники ETH Zurich и Inkbit.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Контакт бесплатный

Данная работа основана на недорогом мультиматериальном 3D-принтере MultiFab, который исследователи представили в 2015 году. Благодаря использованию тысяч сопел для нанесения крошечных капель смолы, отверждаемой ультрафиолетовым излучением, MultiFab позволяет осуществлять 3D-печать с высоким разрешением с использованием до 10 материалов одновременно.

В новом проекте исследователи стремились к бесконтактному процессу, который позволил бы расширить спектр материалов, используемых для изготовления более сложных устройств.

Они разработали технологию, известную как струйная печать с контролем зрения, в которой используются четыре камеры с высокой частотой кадров и два лазера, быстро и непрерывно сканирующие поверхность печати. Камеры фиксируют, как тысячи сопел наносят крошечные капли смолы.

Система компьютерного зрения преобразует изображение в карту глубины высокого разрешения, что занимает менее секунды. Система сравнивает карту глубины с CAD-моделью изготавливаемой детали и регулирует количество наносимой смолы, чтобы объект соответствовал конечной структуре.

Автоматизированная система может вносить коррективы в работу каждого отдельного сопла. Поскольку принтер имеет 16 000 сопел, система может контролировать мелкие детали изготавливаемого устройства.

Геометрически он может напечатать практически все, что угодно, из различных материалов. Практически нет ограничений в отношении того, что можно отправить на принтер, и то, что получается, действительно функционально и долговечно, — говорит Кацшман.

Уровень контроля, обеспечиваемый системой, позволяет очень точно печатать воском, который используется в качестве вспомогательного материала для создания полостей или сложных сетей каналов внутри объекта. Воск печатается под структурой по мере изготовления устройства. После завершения изготовления объект нагревается, воск плавится и стекает, оставляя открытые каналы по всему объекту.

Благодаря возможности автоматической и быстрой регулировки количества материала, наносимого каждым из сопел в режиме реального времени, система не нуждается в механическом перемещении по поверхности печати для поддержания ее в ровном состоянии. Это позволяет принтеру использовать материалы, которые отверждаются более постепенно и были бы размазаны скребком.

Превосходные материалы

Исследователи использовали систему для печати материалами на основе тиола, которые отверждаются медленнее, чем традиционные акриловые материалы, используемые в 3D-печати. Однако материалы на основе тиолов более эластичны и не так легко разрушаются, как акрилаты. Кроме того, они более стабильны в широком диапазоне температур и не так быстро разрушаются под воздействием солнечного света.

Эти свойства очень важны при создании роботов или систем, которые должны взаимодействовать с реальной средой, — говорит Кацшман.

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. Например, они изготовили функциональную роботизированную руку, управляемую сухожилиями, которая имеет 19 независимо приводимых в действие сухожилий, мягкие пальцы с сенсорными подушечками и жесткие кости, несущие нагрузку.

Мы также создали шестиногого шагающего робота, который может ощущать объекты и хватать их, что стало возможным благодаря способности системы создавать герметичные интерфейсы мягких и жестких материалов, а также сложные каналы внутри структуры, — говорит Бюхнер.

Команда также продемонстрировала технологию на примере насоса, похожего на сердце, со встроенными желудочками и искусственными сердечными клапанами, а также метаматериалов, которые можно запрограммировать на нелинейные свойства материала.

Это только начало. Существует удивительное количество новых типов материалов, которые можно добавить в эту технологию. Это позволяет нам получить совершенно новые семейства материалов, которые раньше не могли быть использованы в 3D-печати, — говорит Матусик.

В настоящее время исследователи рассматривают возможность использования системы для печати гидрогелями, которые применяются 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, полупроводниковых полировальных пластин и даже более сложных роботов.

15.11.2023


Подписаться в Telegram



Хайтек

Ученые МИСИС выяснили, как сделать суперконденсаторы ещё круче
Ученые МИСИС выяснили, как сделать суперконденсаторы ещё круче

Исследователи из университета МИСИС усове...

Science Advances: Ученые научились предсказывать водородное охрупчивание
Science Advances: Ученые научились предсказывать водородное охрупчивание

При выборе материала для инфраструктурных...

В ПИШ КАИ создали «мост» к цифровому двойнику композитных преформ
В ПИШ КАИ создали «мост» к цифровому двойнику композитных преформ

Образовательное пространство Технологическое м...

Physical Review Letters: Ученые описали альтернативный магнетизм
Physical Review Letters: Ученые описали альтернативный магнетизм

Магнитные материалы традиционно классифицируют...

Nature: Международная группа ученых решает сложную физическую задачу
Nature: Международная группа ученых решает сложную физическую задачу

Сильно взаимодействующие системы играют важную...

В MIT разрабатывают бытовых роботов, наделенных здравым смыслом
В MIT разрабатывают бытовых роботов, наделенных здравым смыслом

С помощью большой языковой модели инженеры Мас...

Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах
Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах

Исследовательская группа, работающая в UN...

Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий
Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий

Когда речь заходит о сверхпроводящих куби...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

В России предложили новую классификацию камней в почках по структуре и составу
В России предложили новую классификацию камней в почках по структуре и составу
ACS Nano: Благодаря 3D-печати ученые впервые увидели, как светятся наноструктуры
ACS Nano: Благодаря 3D-печати ученые впервые увидели, как светятся наноструктуры
Ученые МИСИС выяснили, как сделать суперконденсаторы ещё круче
Ученые МИСИС выяснили, как сделать суперконденсаторы ещё круче
Исследование МГПУ объясняет, как справиться с одиночеством в мегаполисе
Исследование МГПУ объясняет, как справиться с одиночеством в мегаполисе
Как музыка влияет на эмоции дошкольников: открытие психологов МГУ
Как музыка влияет на эмоции дошкольников: открытие психологов МГУ
Студент из Владивостока придумал товарные ценники на основе электронных чернил
Студент из Владивостока придумал товарные ценники на основе электронных чернил
Microgravity: Полет на Марс может не состояться из-за просроченных лекарств
Microgravity: Полет на Марс может не состояться из-за просроченных лекарств
Археологи СФУ нашли артефакты первых русских поселенцев Красноярска
Археологи СФУ нашли артефакты первых русских поселенцев Красноярска
Горные деревья спасаются от потепления, сползая и поднимаясь по склонам
Горные деревья спасаются от потепления, сползая и поднимаясь по склонам
Transportation Research: Выбросы абразива от поездов вызывают беспокойство
Transportation Research: Выбросы абразива от поездов вызывают беспокойство
Ученые из СПбГУТ отправились в научную экспедицию в Арктику
Ученые из СПбГУТ отправились в научную экспедицию в Арктику
Казанские ученые заявили, что адаптивность молочного скота важнее генетики
Казанские ученые заявили, что адаптивность молочного скота важнее генетики
Звездный магнетизм может указывать на потенциальную обитаемость экзопланеты
Звездный магнетизм может указывать на потенциальную обитаемость экзопланеты
IEEE Access: Актуатор в реабилитационных перчатках восстановит движение пальцев
IEEE Access: Актуатор в реабилитационных перчатках восстановит движение пальцев
Scientific Reports: Экологичное лечение спасает яйца кальмаров от паразита
Scientific Reports: Экологичное лечение спасает яйца кальмаров от паразита

Новости компаний, релизы

Ученые ТПУ в составе международной коллаборации выяснили, что смертность от болезней сердца в мире снизилась на 35% за после...
ИТ: тренды индустрии и рынка труда
Ведущие игроки агрорынка представят новинки на «Дне поля» в Агробиотехнопарке Казанского ГАУ
Университет МИСИС будет готовить специалистов в сфере квантовых технологий
Экономика России теряет миллиарды из-за влияния рака на трудовые ресурсы