15 nov 2023 (Nanowerk Nyheter) Med 3D-bläckstråleutskriftssystem kan ingenjörer tillverka hybridstrukturer som har mjuka och styva komponenter, som robotgripare som är starka nog att greppa tunga föremål men mjuka nog att interagera säkert med människor. Dessa multimaterial 3D-utskriftssystem använder tusentals munstycken för att avsätta små droppar av harts, som slätas ut med en skrapa eller rulle och härdas med UV-ljus. Men utjämningsprocessen kan pressa eller smeta ut hartser som härdar långsamt, vilket begränsar de typer av material som kan användas. Forskare från MIT, MIT spinout Inkbit och ETH Zurich har utvecklat ett nytt 3D-bläckstråleutskriftssystem som fungerar med ett mycket bredare utbud av material. Deras skrivare använder datorseende för att automatiskt skanna 3D-utskriftsytan och justera mängden harts varje munstycke avsätter i realtid för att säkerställa att inga områden har för mycket eller för lite material.
Denna rendering visar en robot som byggs lager-för-lager med den nya processen. De svarta sfärerna representerar det material som skrivaren använder. Materialet härdas sedan med UV-ljus, representerat i blått. Överst på bilden finns kamerorna som skannar proceduren och justerar därefter. (Bild: Moritz Hocher) Eftersom det inte kräver mekaniska delar för att jämna ut hartset, arbetar detta kontaktlösa system med material som härdar långsammare än akrylaterna som traditionellt används i 3D-utskrift. Vissa långsammare härdande materialkemier kan erbjuda förbättrad prestanda jämfört med akrylater, såsom större elasticitet, hållbarhet eller livslängd. Dessutom gör det automatiska systemet justeringar utan att stoppa eller sakta ner utskriftsprocessen, vilket gör denna produktionsklassade skrivare cirka 660 gånger snabbare än ett jämförbart 3D-bläckstråleutskriftssystem. Forskarna använde den här skrivaren för att skapa komplexa robotenheter som kombinerar mjuka och styva material. Till exempel gjorde de en helt 3D-printad robotgripare formad som en mänsklig hand och styrd av en uppsättning förstärkta, men ändå flexibla, senor.
Forskarna använde sitt utskriftssystem för att skapa komplexa robotenheter som kombinerar mjuka och styva material. Eftersom skrivaren har 16,000 XNUMX munstycken kan systemet styra fina detaljer om enheten som tillverkas. Denna rendering visar objekt som har byggts halvvägs av skrivaren. (Bild med tillstånd av forskarna) "Geometriskt kan den skriva ut nästan vad du vill göra av flera material. Det finns nästan inga begränsningar vad gäller vad du kan skicka till skrivaren, och det du får är verkligen funktionellt och hållbart”, säger Katzschmann. Den nivå av kontroll som systemet ger gör det möjligt att skriva ut mycket exakt med vax, som används som ett stödmaterial för att skapa hålrum eller invecklade nätverk av kanaler inuti ett föremål. Vaxet trycks under strukturen när enheten tillverkas. När det är klart värms föremålet upp så att vaxet smälter och rinner ut, vilket lämnar öppna kanaler genom hela föremålet. Eftersom det automatiskt och snabbt kan justera mängden material som avsätts av vart och ett av munstyckena i realtid, behöver systemet inte dra en mekanisk del över utskriftsytan för att hålla den jämn. Detta gör det möjligt för skrivaren att använda material som härdar mer gradvis och som skulle smetas av en skrapa.
Ett fotografi visar en mängd olika 3D-utskrivna objekt i vitt, som visas på en bricka. Objekten är: en robothand, kuber gjorda av gitterstrukturer, ett biologiskt hjärta och en gående robot. (Bild med tillstånd av forskarna) Teamet visade också upp tekniken genom en hjärtliknande pump med integrerade ventriklar och konstgjorda hjärtklaffar, samt metamaterial som kan programmeras att ha icke-linjära materialegenskaper. "Det här är bara början. Det finns ett fantastiskt antal nya typer av material du kan lägga till denna teknik. Detta gör att vi kan ta in helt nya materialfamiljer som tidigare inte kunde användas i 3D-utskrift”, säger Matusik. Forskarna tittar nu på att använda systemet för att skriva ut med hydrogeler, som används i vävnadstekniska tillämpningar, såväl som kiselmaterial, epoxi och speciella typer av hållbara polymerer. De vill också utforska nya applikationsområden, som att skriva ut anpassningsbara medicinska apparater, polerkuddar för halvledare och ännu mer komplexa robotar.
Denna rendering visar en robot som byggs lager-för-lager med den nya processen. De svarta sfärerna representerar det material som skrivaren använder. Materialet härdas sedan med UV-ljus, representerat i blått. Överst på bilden finns kamerorna som skannar proceduren och justerar därefter. (Bild: Moritz Hocher) Eftersom det inte kräver mekaniska delar för att jämna ut hartset, arbetar detta kontaktlösa system med material som härdar långsammare än akrylaterna som traditionellt används i 3D-utskrift. Vissa långsammare härdande materialkemier kan erbjuda förbättrad prestanda jämfört med akrylater, såsom större elasticitet, hållbarhet eller livslängd. Dessutom gör det automatiska systemet justeringar utan att stoppa eller sakta ner utskriftsprocessen, vilket gör denna produktionsklassade skrivare cirka 660 gånger snabbare än ett jämförbart 3D-bläckstråleutskriftssystem. Forskarna använde den här skrivaren för att skapa komplexa robotenheter som kombinerar mjuka och styva material. Till exempel gjorde de en helt 3D-printad robotgripare formad som en mänsklig hand och styrd av en uppsättning förstärkta, men ändå flexibla, senor.
[Inbäddat innehåll]
"Vår nyckelinsikt här var att utveckla ett maskinseendesystem och en fullständigt aktiv återkopplingsslinga. Det är nästan som att utrusta en skrivare med en uppsättning ögon och en hjärna, där ögonen observerar vad som skrivs ut, och sedan styr maskinens hjärna den till vad som ska skrivas ut härnäst”, säger medkorrespondent författare Wojciech Matusik , en professor i elektroteknik och datavetenskap vid MIT som leder Computational Design and Fabrication Group inom MIT Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL). Han får sällskap på tidningen av huvudförfattaren Thomas Buchner, doktorand vid ETH Zürich, medförfattaren Robert Katzschmann PhD '18, biträdande professor i robotik som leder Soft Robotics Laboratory vid ETH Zürich; samt andra på ETH Zürich och Inkbit. Forskningen visas idag i Natur ("Visionsstyrd jetting för kompositsystem och robotar").Kontakta gratis
Detta papper bygger på en billig, multimaterial 3D-skrivare känd som MultiFab som forskarna introducerade 2015. Genom att använda tusentals munstycken för att avsätta små droppar av harts som är UV-härdade, möjliggjorde MultiFab högupplöst 3D-utskrift med upp till 10 material på en gång. Med detta nya projekt sökte forskarna en kontaktlös process som skulle utöka utbudet av material de kunde använda för att tillverka mer komplexa enheter. De utvecklade en teknik, känd som vision-kontrollerad jetting, som använder fyra kameror med hög bildhastighet och två lasrar som snabbt och kontinuerligt skannar utskriftsytan. Kamerorna tar bilder när tusentals munstycken avsätter små droppar harts. Datorsynsystemet omvandlar bilden till en högupplöst djupkarta, en beräkning som tar mindre än en sekund att utföra. Den jämför djupkartan med CAD-modellen (computer-aided design) av den del som tillverkas, och justerar mängden harts som avsätts för att hålla objektet i mål med den slutliga strukturen. Det automatiserade systemet kan göra justeringar av varje enskilt munstycke. Eftersom skrivaren har 16,000 XNUMX munstycken kan systemet styra fina detaljer om enheten som tillverkas.
Forskarna använde sitt utskriftssystem för att skapa komplexa robotenheter som kombinerar mjuka och styva material. Eftersom skrivaren har 16,000 XNUMX munstycken kan systemet styra fina detaljer om enheten som tillverkas. Denna rendering visar objekt som har byggts halvvägs av skrivaren. (Bild med tillstånd av forskarna) "Geometriskt kan den skriva ut nästan vad du vill göra av flera material. Det finns nästan inga begränsningar vad gäller vad du kan skicka till skrivaren, och det du får är verkligen funktionellt och hållbart”, säger Katzschmann. Den nivå av kontroll som systemet ger gör det möjligt att skriva ut mycket exakt med vax, som används som ett stödmaterial för att skapa hålrum eller invecklade nätverk av kanaler inuti ett föremål. Vaxet trycks under strukturen när enheten tillverkas. När det är klart värms föremålet upp så att vaxet smälter och rinner ut, vilket lämnar öppna kanaler genom hela föremålet. Eftersom det automatiskt och snabbt kan justera mängden material som avsätts av vart och ett av munstyckena i realtid, behöver systemet inte dra en mekanisk del över utskriftsytan för att hålla den jämn. Detta gör det möjligt för skrivaren att använda material som härdar mer gradvis och som skulle smetas av en skrapa.
Överlägsna material
Forskarna använde systemet för att skriva ut med tiolbaserade material, som härdar långsammare än de traditionella akrylmaterial som används vid 3D-utskrift. Tiolbaserade material är dock mer elastiska och går inte sönder lika lätt som akrylater. De tenderar också att vara mer stabila över ett bredare temperaturintervall och bryts inte ned lika snabbt när de utsätts för solljus. "Det här är mycket viktiga egenskaper när du vill tillverka robotar eller system som behöver interagera med en verklig miljö", säger Katzschmann. Forskarna använde tiolbaserade material och vax för att tillverka flera komplexa enheter som annars skulle vara nästan omöjliga att göra med befintliga 3D-utskriftssystem. För det första producerade de en funktionell, sendriven robothand som har 19 oberoende manövrerbara senor, mjuka fingrar med sensorkuddar och stela, lastbärande ben. "Vi producerade också en sexbent gårobot som kan känna av föremål och greppa dem, vilket var möjligt tack vare systemets förmåga att skapa lufttäta gränssnitt av mjuka och styva material, såväl som komplexa kanaler inuti strukturen", säger Buchner.
Ett fotografi visar en mängd olika 3D-utskrivna objekt i vitt, som visas på en bricka. Objekten är: en robothand, kuber gjorda av gitterstrukturer, ett biologiskt hjärta och en gående robot. (Bild med tillstånd av forskarna) Teamet visade också upp tekniken genom en hjärtliknande pump med integrerade ventriklar och konstgjorda hjärtklaffar, samt metamaterial som kan programmeras att ha icke-linjära materialegenskaper. "Det här är bara början. Det finns ett fantastiskt antal nya typer av material du kan lägga till denna teknik. Detta gör att vi kan ta in helt nya materialfamiljer som tidigare inte kunde användas i 3D-utskrift”, säger Matusik. Forskarna tittar nu på att använda systemet för att skriva ut med hydrogeler, som används i vävnadstekniska tillämpningar, såväl som kiselmaterial, epoxi och speciella typer av hållbara polymerer. De vill också utforska nya applikationsområden, som att skriva ut anpassningsbara medicinska apparater, polerkuddar för halvledare och ännu mer komplexa robotar.
- SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
- Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
- PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
- Källa: https://www.nanowerk.com/news2/gadget/newsid=64061.php
