Компьютерное зрение обеспечивает бесконтактную 3D-печать, позволяя инженерам печатать высокопроизводительными материалами, которые они не могли использовать раньше.
С помощью систем струйной 3D-печати инженеры могут создавать гибридные структуры, состоящие из мягких и жестких компонентов, например роботизированные захваты, достаточно прочные, чтобы захватывать тяжелые предметы, но достаточно мягкие, чтобы безопасно взаимодействовать с людьми.
В этих многоматериальных системах 3D-печати используются тысячи сопел для нанесения крошечных капель смолы, которые разглаживаются скребком или валиком и твердеют под воздействием ультрафиолетового излучения. Однако процесс разглаживания может смять или размазать смолы, которые застывают медленно, что ограничивает типы материалов, которые можно использовать.
Прорыв исследователей из Массачусетского технологического института и ETH Zurich
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. Их принтер использует компьютерное зрение для автоматического сканирования поверхности 3D-печати и регулировки количества смолы, подаваемой каждым соплом.
Поскольку для разглаживания смолы не требуются механические детали, эта бесконтактная система работает с материалами, которые твердеют медленнее, чем акрилаты, традиционно используемые в 3D-печати. Некоторые химические составы материалов с более медленным застыванием могут предложить улучшенные характеристики по сравнению с акрилатами, например, большую эластичность, прочность или долговечность.
Скорость и точность 3D-печати
Примечательно, что автоматическая система продолжает вносить коррективы, не останавливая и не замедляя процесс печати. В результате этот принтер производственного класса работает 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 в форме человеческой руки, управляемый набором армированных, но гибких сухожилий.
"Наша главная идея заключалась в разработке системы машинного зрения и полностью активного контура обратной связи. Это почти как наделить принтер глазами и мозгом, где глаза наблюдают за тем, что печатается, а мозг машины направляет его, что печатать дальше", - говорит Войцех Матусик, профессор электротехники и информатики Массачусетского технологического института, возглавляющий группу вычислительного дизайна и производства в Лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта Массачусетского технологического института (CSAIL).
Бесконтактная и универсальная печать
Данная работа напечатана на мультиматериальном 3D-принтере, который исследователи представили в 2015 году. Используя тысячи сопел для нанесения крошечных капель смолы, застывающей под воздействием ультрафиолетового излучения, он способен осуществлять 3D-печать с высоким разрешением, используя до 10 материалов одновременно.
В новом проекте исследователи искали бесконтактный процесс, который расширил бы диапазон материалов, которые можно было бы использовать для изготовления более сложных устройств.
Они разработали технику, известную как визуально-контролируемая струйная печать (Vision-Controlled Jetting (VCJ)), в которой используются четыре камеры с высокой частотой кадров и два лазера, быстро и непрерывно сканирующие поверхность печати. Камеры снимают, как тысячи сопел наносят крошечные капли смолы.
Система компьютерного зрения преобразует изображение в карту глубины высокого разрешения, на что уходит менее секунды. Она сравнивает карту глубины с CAD-моделью изготавливаемой детали и регулирует количество наносимой смолы, чтобы объект соответствовал конечной структуре.
Автоматизированная система может вносить коррективы в каждое отдельное сопло. Поскольку принтер имеет 16 000 сопел, система может контролировать мелкие детали изготавливаемого устройства.
"Геометрически он может напечатать практически все, что вы хотите, из различных материалов. Почти нет ограничений в плане того, что можно отправить на печать, и то, что вы получите, будет действительно функциональным и долговечным", - говорит Кацшманн, доцент робототехники, возглавляющий лабораторию мягкой робототехники в ETH Zurich
Уровень контроля, обеспечиваемый системой, позволяет очень точно печатать воском, который используется в качестве поддержек для создания полостей или сложных сетей каналов внутри объекта. Воск печатается под объектом по мере его изготовления. После завершения работы объект нагревают, чтобы воск расплавился и стек.
Поскольку принтер может автоматически и быстро регулировать количество материала, наносимого каждым из сопел в режиме реального времени, ему не нужно перемещать механическую деталь по поверхности печати. Это позволяет принтеру использовать материалы, которые застывают более постепенно и были бы размазаны скребком.
Превосходные материалы
Исследователи использовали систему для печати материалами на основе тиола, которые застывают медленнее, чем традиционные акриловые материалы, используемые в 3D-печати. Материалы на основе тиола более эластичны и не ломаются так легко, как акрилаты. Они также более стабильны в широком диапазоне температур и не так быстро разрушаются под воздействием солнечного света.
"Эти свойства очень важны, если вы хотите создавать роботов или системы, которые должны взаимодействовать с реальной средой", - говорит Кацшманн.
Исследователи использовали материалы на основе тиола и воск для изготовления нескольких сложных устройств, которые иначе было бы практически невозможно сделать 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 распознавать объекты и взаимодействовать с ними, что стало возможным благодаря способности системы создавать герметичные интерфейсы мягких и жестких материалов, а также сложные каналы внутри структуры", - говорит Томас Бюхнер, докторант ETH Zurich
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.
"Это только начало. Существует удивительное количество новых типов материалов, которые можно использовать с этой технологией. Это позволяет нам создавать совершенно новые семейства материалов, которые раньше не могли быть использованы в 3D-печати", - говорит Матусик.
Сейчас 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 ковриков и даже более сложных роботов.
