Avec les systèmes d’impression à jet d’encre 3D, les ingénieurs peuvent fabriquer des buildings hybrides comportant des composants souples et rigides, comme des pinces robotiques suffisamment solides pour saisir des objets lourds mais suffisamment souples pour interagir en toute sécurité avec les humains.
Ces systèmes d’impression 3D multimatériaux utilisent des milliers de buses pour déposer de minuscules gouttelettes de résine, qui sont lissées avec un grattoir ou un rouleau et durcies à la lumière UV. Mais le processus de lissage pourrait écraser ou maculer les résines qui durcissent lentement, limitant ainsi les styles de matériaux pouvant être utilisés.
Des chercheurs du MIT, de la spin-out du MIT Inkbit et de l’ETH Zurich ont développé un nouveau système d’impression à jet d’encre 3D qui fonctionne avec une gamme beaucoup furthermore substantial de matériaux. Leur imprimante utilise la vision par ordinateur pour numériser automatiquement la surface d’impression 3D et ajuster la quantité de résine déposée par chaque buse en temps réel afin de garantir qu’aucune zone ne contient trop ou pas assez de matière.
Puisqu’il ne nécessite pas de pièces mécaniques pour lisser la résine, ce système sans contact fonctionne avec des matériaux qui durcissent as well as lentement que les acrylates traditionnellement utilisés en perception 3D. Certaines compositions chimiques de matériaux à durcissement plus lent peuvent offrir des performances améliorées par rapport aux acrylates, telles qu’une as well as grande élasticité, durabilité ou longévité.
De moreover, le système automatique effectue des ajustements sans arrêter ni ralentir le processus d’impression, ce qui rend cette imprimante de output environ 660 fois moreover rapide qu’un système d’impression à jet d’encre 3D equivalent.
Les chercheurs ont utilisé cette imprimante pour créer des dispositifs robotiques complexes combinant des matériaux souples et rigides. Par exemple, ils ont fabriqué une pince robotique entièrement imprimée en 3D en forme de primary humaine et contrôlée par un ensemble de tendons renforcés mais flexibles.
« Notre idée clé ici était de développer un système de vision industrielle et une boucle de rétroaction complètement energetic. C’est presque comme doter une imprimante d’un ensemble d’yeux et d’un cerveau, où les yeux observent ce qui est imprimé, puis le cerveau de la device. lui indique ce qui doit être imprimé ensuite », explique l’auteur co-correspondant Wojciech Matusik, professeur de génie électrique et d’informatique au MIT qui dirige le groupe de conception et de fabrication informatiques au sein du laboratoire d’informatique et d’intelligence artificielle du MIT (CSAIL).
Il est rejoint dans l’article par l’auteur principal Thomas Buchner, doctorant à l’ETH Zurich, l’auteur co-correspondant Robert Katzschmann, PhD ’18, professeur assistant de robotique qui dirige le laboratoire de robotique douce de l’ETH Zurich ainsi que d’autres à l’ETH Zurich et à Inkbit. La recherche paraîtra dans Nature.
Cet report s’appuie sur une imprimante 3D multimatériaux à faible coût connue sous le nom de MultiFab que les chercheurs ont introduite en 2015. En utilisant des milliers de buses pour déposer de minuscules gouttelettes de résine durcies par UV, MultiFab a permis une impact 3D haute résolution avec jusqu’à 10 matériaux à la fois.
Avec ce nouveau projet, les chercheurs recherchaient un processus sans speak to qui élargirait la gamme de matériaux qu’ils pourraient utiliser pour fabriquer des dispositifs moreover complexes.
Ils ont développé une approach, connue sous le nom de jet contrôlé par vision, qui utilise quatre caméras à fréquence d’images élevée et deux lasers qui balayent rapidement et en continu la surface area d’impression. Les caméras capturent des photographs tandis que des milliers de buses déposent de minuscules gouttelettes de résine.
Le système de vision par ordinateur convertit l’image en une carte de profondeur haute résolution, un calcul qui prend moins d’une seconde. Il review la carte de profondeur au modèle CAO (conception assistée par ordinateur) de la pièce en cours de fabrication et ajuste la quantité de résine déposée pour maintenir l’objet sur la cible avec la composition finale.
Le système automatisé peut effectuer des ajustements sur n’importe quelle buse individuelle. Étant donné que l’imprimante dispose de 16 000 buses, le système peut contrôler les moindres détails de l’appareil en cours de fabrication.
« Géométriquement, elle peut imprimer presque tout ce que vous voulez, à partir de plusieurs matériaux. Il n’y a presque aucune limite quant à ce que vous pouvez envoyer à l’imprimante, et ce que vous obtenez est vraiment fonctionnel et resilient », explique Katzschmann.
Le niveau de contrôle offert par le système lui permet d’imprimer très précisément avec de la cire, qui est utilisée comme matériau de assistance pour créer des cavités ou des réseaux complexes de canaux à l’intérieur d’un objet. La cire est imprimée sous la structure au fur et à mesure de la fabrication de l’appareil. Une fois terminé, l’objet est chauffé pour que la cire fonde et s’écoule, laissant des canaux ouverts dans tout l’objet.
Parce qu’il peut ajuster automatiquement et rapidement la quantité de matériau déposé par chacune des buses en temps réel, le système n’a pas besoin de faire glisser une pièce mécanique sur la surface area d’impression pour la maintenir à niveau. Cela permet à l’imprimeur d’utiliser des matériaux qui durcissent plus progressivement et qui seraient tachés par un grattoir.
Matériaux supérieurs
Les chercheurs ont utilisé le système pour imprimer avec des matériaux à base de thiol, qui durcissent additionally lentement que les matériaux acryliques traditionnels utilisés dans l’impression 3D. Cependant, les matériaux à foundation de thiol sont moreover élastiques et ne se cassent pas aussi facilement que les acrylates. Ils ont également tendance à être in addition stables sur une in addition huge plage de températures et ne se dégradent pas aussi rapidement lorsqu’ils sont exposés au soleil.
« Ce sont des propriétés très importantes lorsque vous souhaitez fabriquer des robots ou des systèmes devant interagir avec un environnement réel », explique Katzschmann.
Les chercheurs ont utilisé des matériaux et de la cire à base de thiol pour fabriquer plusieurs dispositifs complexes qui seraient autrement presque impossibles à réaliser avec les systèmes d’impression 3D existants. D’une portion, ils ont produit une principal robotique fonctionnelle, entraînée par les tendons, dotée de 19 tendons actionnables indépendamment, de doigts souples dotés de coussinets de capteurs et d’os rigides et porteurs.
« Nous avons également produit un robot marcheur à six pattes able de détecter des objets et de les saisir, ce qui a été doable grâce à la capacité du système à créer des interfaces hermétiques de matériaux souples et rigides, ainsi que des canaux complexes à l’intérieur de la framework », explique Buchner.
L’équipe a également présenté la technologie grâce à une pompe en forme de cœur avec ventricules intégrés et valvules cardiaques artificielles, ainsi que des métamatériaux pouvant être programmés pour avoir des propriétés matérielles non linéaires.
« Ce n’est qu’un début. Il existe un nombre incroyable de nouveaux kinds de matériaux que vous pouvez ajouter à cette technologie. Cela nous permet d’introduire de toutes nouvelles familles de matériaux qui ne pouvaient pas être utilisées auparavant dans l’impression 3D », explique Matusik.
Les chercheurs envisagent maintenant d’utiliser le système pour imprimer avec des hydrogels, utilisés dans des purposes d’ingénierie tissulaire, ainsi qu’avec des matériaux à foundation de silicium, des époxy et des styles spéciaux de polymères durables.
Ils souhaitent également explorer de nouveaux domaines d’application, tels que l’impression de dispositifs médicaux personnalisables, de tampons de polissage pour semi-conducteurs et de robots encore plus complexes.
Cette recherche a été financée en partie par le Crédit Suisse, le Fonds countrywide suisse, la Protection State-of-the-art Investigation Projects Company (DARPA) et la Countrywide Science Foundation (NSF).
