这个3D打印机可以观察自己制造物体

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这个3D打印机可以观察自己制造物体

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这个3D打印机可以观察自己制造物体

有了3D喷墨打印系统,工程师们可以制造出具有柔软和刚性部件的混合结构,比如机器人抓取器,它足够强壮,可以抓住重物,但足够柔软,可以与人类安全互动

这些多材料3D打印系统利用数千个喷嘴来沉积微小的树脂液滴,这些树脂液滴用刮刀或滚筒进行平滑处理,并用紫外线进行固化。但是,平滑过程可能会挤压或涂抹固化缓慢的树脂,从而限制可使用的材料类型

麻省理工学院、其子公司Inkbit和苏黎世联邦理工学院的研究人员开发了一种新的3D喷墨打印系统,该系统适用于更广泛的材料。他们的打印机利用计算机视觉自动扫描3D打印表面,并实时调整每个喷嘴沉积的树脂量,以确保没有区域的材料过多或过少

由于不需要机械部件来平滑树脂,因此这种非接触式系统使用的材料固化速度比传统用于3D打印的丙烯酸酯慢。一些较慢固化的材料化学物质可以提供比丙烯酸酯更好的性能,例如更大的弹性、耐用性或寿命

此外,自动系统在不停止或减慢打印过程的情况下进行调整,使这款生产级打印机比类似的3D喷墨打印系统快约660倍

研究人员使用这种打印机创建了将软材料和刚性材料结合在一起的复杂机器人设备。例如,他们制作了一个完全3D打印的机器人抓手,形状像人手,由一组加固但灵活的肌腱控制

“我们在这里的关键见解是开发一个机器视觉系统和完全主动的反馈回路。这几乎就像赋予打印机一双眼睛和一个大脑,眼睛观察正在打印的内容,然后机器的大脑指导它下一步应该打印什么,”共同通讯作者Wojciech Matusik说,麻省理工学院电气工程和计算机科学教授,领导麻省理工大学计算机科学和人工智能实验室(CSAIL)的计算设计和制造小组

苏黎世联邦理工学院博士生Thomas Buchner和联合通讯作者Robert Katzschmann博士(18岁)共同撰写了这篇论文,Robert Katzschmann博士是苏黎世联邦理学院软机器人实验室的负责人,机器人学助理教授;以及苏黎世联邦理工学院和Inkbit的其他机构。这项研究将发表在《自然》杂志上。免接触

本文建立在研究人员于2015年推出的低成本、多材料3D打印机MultiFab的基础上。MultiFab利用数千个喷嘴沉积紫外线固化的树脂微滴,实现了一次多达10种材料的高分辨率3D打印

在这个新项目中,研究人员寻求一种非接触式工艺,该工艺将扩大他们可以用来制造更复杂设备的材料范围

他们开发了一种称为视觉控制喷射的技术,该技术利用四个高帧率相机和两个激光器快速连续地扫描打印表面。当成千上万的喷嘴沉积微小的树脂液滴时,摄像机捕捉到了图像

计算机视觉系统将图像转换为高分辨率深度图,这一计算只需不到一秒钟的时间。它将深度图与正在制造的零件的CAD(计算机辅助设计)模型进行比较,并调整沉积的树脂量,以使物体与最终结构保持在目标上这个3D打印机可以观察自己制造物体

自动化系统可以对任何单个喷嘴进行调整。由于打印机有16000个喷嘴,该系统可以控制正在制造的设备的细节

Katzschmann说:“从几何角度来看,它几乎可以打印任何你想要的由多种材料制成的东西。你可以发送到打印机的东西几乎没有任何限制,你得到的东西真正实用且持久。”

该系统提供的控制水平使其能够用蜡精确打印,蜡被用作支撑材料,在物体内部形成空腔或复杂的通道网络。在制造该装置时,蜡被印刷在结构下方。完成后,物体被加热,使蜡融化并排出,在整个物体上留下开放的通道

因为它可以实时自动快速调整每个喷嘴沉积的材料量,所以系统不需要在打印表面拖动机械零件来保持水平。这使打印机能够使用逐渐固化的材料,并且会被刮刀涂抹。高级材料

研究人员使用该系统使用硫醇基材料进行打印,硫醇基材料的固化速度比3D打印中使用的传统丙烯酸材料慢。然而,硫醇基材料更具弹性,不像丙烯酸酯那样容易断裂。它们在更宽的温度范围内也更稳定,暴露在阳光下不会降解得那么快

研究人员使用硫醇基材料和蜡制造了几种复杂的设备,否则用现有的3D打印系统几乎不可能制造这些设备。首先,他们生产了一种功能强大的肌腱驱动机械手

The researchers used thiol-based materials and wax to fabricate several complex devices that would otherwise be nearly impossible to make with existing 3D printing systems. For one, they produced a functional, tendon-driven robotic hand that has 19 independently actuatable tendons, soft fingers with sensor pads, and rigid, load-bearing bones.

"We also produced a six-legged walking robot that can sense objects and grasp them, which was possible due to the system's ability to create airtight interfaces of soft and rigid materials, as well as complex channels inside the structure," says Buchner.

The team also showcased the technology through a heart-like pump with integrated ventricles and artificial heart valves, as well as metamaterials that can be programmed to have non-linear material properties.

"This is just the start. There is an amazing number of new types of materials you can add to this technology. This allows us to bring in whole new material families that couldn't be used in 3D printing before," Matusik says.

The researchers are now looking at using the system to print with hydrogels, which are used in tissue-engineering applications, as well as silicon materials, epoxies, and special types of durable polymers.

They also want to explore new application areas, such as printing customizable medical devices, semiconductor polishing pads, and even more complex robots.

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