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