Naudodami 3D rašalinio spausdinimo sistemas, inžinieriai gali pagaminti hibridines konstrukcijas, turinčias minkštų ir standžių komponentų, pavyzdžiui, robotų griebtuvus, kurie yra pakankamai stiprūs, kad suimtų sunkius daiktus, bet pakankamai minkšti, kad galėtų saugiai bendrauti su žmonėmis.
Šiose daugiamatėse 3D spausdinimo sistemose naudojami tūkstančiai purkštukų, kad nusodintų mažus dervos lašelius, kurie išlyginami grandikliu arba voleliu ir sukietinami UV šviesa. Tačiau išlyginimo procesas gali išblukinti arba ištepti dervas, kurios kietėja lėtai, o tai apriboja naudojamų medžiagų tipus.
Mokslininkai iš MIT, MIT spinout Inkbit ir ETH Ciurich sukūrė naują 3D rašalinio spausdinimo sistemą, kuri veikia su daug platesniu medžiagų asortimentu. Jų spausdintuvas naudoja kompiuterinę viziją, kad automatiškai nuskaitytų 3D spausdinimo paviršių ir realiuoju laiku sureguliuotų dervos kiekį ant kiekvieno purkštuko, kad nebūtų per daug ar per mažai medžiagos.
Kadangi dervai išlyginti nereikia mechaninių dalių, ši bekontaktė sistema veikia su medžiagomis, kurios kietėja lėčiau nei akrilatai, kurie tradiciškai naudojami 3D spausdinimui. Kai kurios lėčiau kietėjančių medžiagų cheminės medžiagos gali pagerinti akrilatų veikimą, pvz., didesnį elastingumą, ilgaamžiškumą ar ilgaamžiškumą.
Be to, automatinė sistema atlieka koregavimus nestabdydama ir nelėtinant spausdinimo proceso, todėl šis gamybos lygio spausdintuvas yra maždaug 660 kartų greitesnis nei panaši 3D rašalinio spausdinimo sistema.
Tyrėjai naudojo šį spausdintuvą kurdami sudėtingus robotizuotus įrenginius, kuriuose derinamos minkštos ir standžios medžiagos. Pavyzdžiui, jie pagamino visiškai 3D spausdintą robotą griebtuvą, panašų į žmogaus ranką ir valdomą sustiprintų, tačiau lanksčių sausgyslių rinkiniu.
„Mūsų pagrindinė įžvalga buvo sukurti mašininio matymo sistemą ir visiškai aktyvią grįžtamojo ryšio kilpą. Tai beveik panašu į spausdintuvo aprūpinimą akimis ir smegenimis, kur akys stebi, kas spausdinama, o tada mašinos smegenys nurodo, kas turėtų būti spausdinama toliau“, – sako bendraautorius Wojciechas Matusikas. MIT elektros inžinerijos ir kompiuterių mokslo profesorius, vadovaujantis MIT kompiuterių mokslo ir dirbtinio intelekto laboratorijos (CSAIL) Kompiuterinio projektavimo ir gamybos grupei.
Straipsnyje prie jo prisijungia pagrindinis autorius Thomas Buchner, ETH Ciuricho doktorantas, bendraautorius Robertas Katzschmannas, PhD ’18, robotikos docentas, vadovaujantis ETH Ciuricho Soft Robotics Laboratory; taip pat kiti ETH Ciurich ir Inkbit. Tyrimas pasirodo šiandien Gamta.
Susisiekite nemokamai
Šiame popieriuje sukurtas nebrangus daugiamatis 3D spausdintuvas, žinomas kaip MultiFab, kurį mokslininkai pristatė 2015 m. Naudojant tūkstančius purkštukų, leidžiančių nusodinti mažus UV spinduliuose kietėjančius dervos lašelius, MultiFab įgalino didelės raiškos 3D spausdinimą su iki 10 medžiagos iš karto.
Vykdydami šį naują projektą, mokslininkai siekė bekontakčio proceso, kuris išplėstų medžiagų, kurias jie galėtų naudoti sudėtingesniems įrenginiams gaminti, asortimentą.
Jie sukūrė techniką, žinomą kaip regėjimo valdomas purškimas, kuriame naudojamos keturios didelio kadrų dažnio kameros ir du lazeriai, kurie greitai ir nuolat nuskaito spausdinimo paviršių. Kameros fiksuoja vaizdus, kai tūkstančiai purkštukų nusodina mažyčius dervos lašelius.
Kompiuterinio matymo sistema paverčia vaizdą į didelės raiškos gylio žemėlapį – skaičiavimą, kuriam atlikti reikia mažiau nei sekundės. Jis lygina gylio žemėlapį su gaminamos dalies CAD (kompiuterinio projektavimo) modeliu ir koreguoja nusodinamos dervos kiekį, kad objektas liktų ties galutine struktūra.
Automatizuota sistema gali reguliuoti bet kurį atskirą purkštuką. Kadangi spausdintuve yra 16 000 purkštukų, sistema gali valdyti smulkias gaminamo įrenginio detales.
„Geometriškai jis gali atspausdinti beveik viską, ko tik nori iš kelių medžiagų. Beveik nėra jokių apribojimų, ką galite siųsti į spausdintuvą, o tai, ką gausite, yra tikrai funkcionalu ir ilgaamžė“, – sako Katzschmannas.
Sistemos suteikiamas valdymo lygis leidžia labai tiksliai spausdinti su vašku, kuris naudojamas kaip pagalbinė medžiaga kuriant ertmes ar sudėtingus kanalų tinklus objekto viduje. Gaminant įrenginį, vaškas yra atspausdintas po struktūra. Baigus, objektas šildomas, todėl vaškas ištirpsta ir nuteka, palikdamas atvirus kanalus visame objekte.
Kadangi ji gali automatiškai ir greitai reguliuoti medžiagos kiekį, kurį nusodina kiekvienas purkštukas realiu laiku, sistemai nereikia vilkti mechaninės dalies per spausdinimo paviršių, kad jis liktų lygus. Tai leidžia spausdintuvui naudoti medžiagas, kurios kietėja laipsniškai ir būtų suteptos grandikliu.
Aukščiausios kokybės medžiagos
Tyrėjai naudojo sistemą spausdindami su tiolio pagrindu pagamintomis medžiagomis, kurios kietėja lėčiau nei tradicinės akrilo medžiagos, naudojamos 3D spausdinimui. Tačiau tiolio pagrindu pagamintos medžiagos yra elastingesnės ir nelūžta taip lengvai kaip akrilatai. Jie taip pat yra stabilesni esant platesniam temperatūrų diapazonui ir ne taip greitai genda, kai yra veikiami saulės spindulių.
„Tai labai svarbios savybės, kai norite sukurti robotus ar sistemas, kurios turi sąveikauti su realia aplinka”, – sako Katzschmannas.
Tyrėjai naudojo tiolio pagrindu pagamintas medžiagas ir vašką, kad pagamintų kelis sudėtingus įrenginius, kurių kitu atveju būtų beveik neįmanoma pagaminti naudojant esamas 3D spausdinimo sistemas. Viena vertus, jie pagamino funkcionalią, sausgyslėmis varomą robotinę ranką, turinčią 19 nepriklausomai įjungiamų sausgyslių, minkštus pirštus su jutiklių pagalvėlėmis ir standžius, apkrovą laikančius kaulus.
„Mes taip pat pagaminome šešiakojį vaikščiojantį robotą, galintį pajusti objektus ir juos suvokti, o tai buvo įmanoma dėl sistemos gebėjimo sukurti sandarias minkštų ir standžių medžiagų sąsajas, taip pat sudėtingus kanalus konstrukcijos viduje“, – sako Buchneris.
Komanda taip pat demonstravo technologiją per į širdį panašią siurblį su integruotais skilveliais ir dirbtiniais širdies vožtuvais, taip pat metamedžiagas, kurias galima užprogramuoti taip, kad jos turėtų netiesinių medžiagų savybes.
„Tai tik pradžia. Yra daugybė naujų medžiagų, kurias galite pridėti prie šios technologijos. Tai leidžia mums pristatyti visiškai naujas medžiagų šeimas, kurios anksčiau negalėjo būti naudojamos 3D spausdinimui“, – sako Matusikas.
Tyrėjai dabar svarsto galimybę naudoti sistemą spausdindami su hidrogeliais, kurie naudojami audinių inžinerijos reikmėms, taip pat silicio medžiagas, epoksidus ir specialių tipų patvarius polimerus.
Jie taip pat nori ištirti naujas taikymo sritis, pvz., spausdinti pritaikomus medicinos prietaisus, puslaidininkinius poliravimo padėklus ir dar sudėtingesnius robotus.
Šį tyrimą iš dalies finansavo „Credit Suisse“, Šveicarijos nacionalinis mokslo fondas, JAV gynybos pažangių tyrimų projektų agentūra ir JAV nacionalinis mokslo fondas.
