Nuovo sistema di stampa a getto d’inchiostro 3D che funziona utilizzando la visione artificiale per scansionare automaticamente la superficie di stampa 3D
Ricreare strutture e funzioni complesse degli organismi naturali in forma sintetica è un obiettivo di lunga data dell'umanità. L'obiettivo è creare sistemi attuati con elevate risoluzioni spaziali e disposizioni materiali complesse che vanno dall'elastico al rigido. I processi di produzione tradizionali faticano a realizzare sistemi così complessi. Rimane una sfida aperta fabbricare sistemi funzionali in modo automatico e rapido con un'ampia gamma di proprietà elastiche, risoluzioni e canali di attuazione e rilevamento integrati.
Con i sistemi di stampa a getto d’inchiostro 3D, gli ingegneri possono fabbricare strutture ibride con componenti morbidi e rigidi, come pinze robotiche abbastanza forti da afferrare oggetti pesanti ma abbastanza morbide da interagire in sicurezza con gli esseri umani. Questi sistemi di stampa 3D multimateriale utilizzano migliaia di ugelli per depositare minuscole goccioline di resina, che vengono levigate con un raschietto o un rullo e polimerizzate con luce UV. Ma il processo di lisciatura potrebbe schiacciare o imbrattare le resine che polimerizzano lentamente, limitando i tipi di materiali che possono essere utilizzati.
I ricercatori del MIT, la spin-out del MIT Inkbit e l’ETH di Zurigo hanno sviluppato un nuovo sistema di stampa a getto d’inchiostro 3D che funziona con una gamma molto più ampia di materiali. La loro stampante utilizza la visione artificiale per scansionare automaticamente la superficie di stampa 3D e regolare la quantità di resina depositata da ciascun ugello in tempo reale per garantire che nessuna area abbia troppo o troppo poco materiale.
Poiché non richiede parti meccaniche per levigare la resina, questo sistema senza contatto funziona con materiali che polimerizzano più lentamente rispetto agli acrilati tradizionalmente utilizzati nella stampa 3D. Alcuni prodotti chimici dei materiali a polimerizzazione più lenta possono offrire prestazioni migliori rispetto agli acrilati, come maggiore elasticità, durata o longevità.
Inoltre, il sistema automatico effettua regolazioni senza interrompere o rallentare il processo di stampa, rendendo questa stampante di livello produttivo circa 660 volte più veloce di un sistema di stampa a getto d’inchiostro 3D comparabile.
I ricercatori hanno utilizzato questa stampante per creare dispositivi robotici complessi che combinano materiali morbidi e rigidi. Ad esempio, hanno realizzato una pinza robotica completamente stampata in 3D, a forma di mano umana e controllata da una serie di tendini rinforzati, ma flessibili.
«La nostra intuizione chiave qui è stata quella di sviluppare un sistema di visione artificiale e un ciclo di feedback completamente attivo. È quasi come dotare una stampante di un paio di occhi e di un cervello, dove gli occhi osservano ciò che viene stampato, e poi il cervello della macchina lo indirizza su ciò che dovrebbe essere stampato dopo», afferma l'autore co-corrispondente Wojciech Matusik (1), professore di ingegneria elettrica e informatica al MIT che guida il Computational Design and Fabrication Group all'interno del MIT Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL).
A lui si uniscono l'autore principale Thomas Buchner (2), uno studente di dottorato all'ETH di Zurigo, l'autore co-corrispondente Robert Katzschmann PhD '18 (3), assistente professore di robotica che dirige il Laboratorio di robotica morbida all'ETH di Zurigo; così come altri all'ETH di Zurigo e Inkbit. La ricerca appare su Nature (4).
Contatto libero
Questo articolo si basa su una stampante 3D multimateriale a basso costo nota come MultiFab che i ricercatori hanno introdotto nel 2015. Utilizzando migliaia di ugelli per depositare minuscole goccioline di resina polimerizzate con raggi UV, MultiFab ha consentito la stampa 3D ad alta risoluzione con un massimo di 10 materiali in una sola volta.
Con questo nuovo progetto, i ricercatori hanno cercato un processo senza contatto con l'obiettivo di ampliare la gamma di materiali che potrebbero utilizzare per fabbricare dispositivi più complessi.
Hanno sviluppato una tecnica, nota come getto a controllo visivo, che utilizza quattro fotocamere ad alto frame rate e due laser che scansionano rapidamente e continuamente la superficie di stampa. Le telecamere catturano immagini mentre migliaia di ugelli depositano minuscole goccioline di resina.
Il sistema di visione artificiale converte l'immagine in una mappa di profondità ad alta risoluzione, un calcolo che richiede meno di un secondo per essere eseguito. Confronta la mappa di profondità con il modello CAD (progettazione assistita da computer) della parte da fabbricare e regola la quantità di resina depositata per mantenere l'oggetto in linea con la struttura finale.
Il sistema automatizzato può apportare modifiche a qualsiasi singolo ugello. Poiché la stampante dispone di 16.000 ugelli, il sistema può controllare i dettagli più fini del dispositivo in fase di fabbricazione.
«Geometricamente, può stampare quasi tutto ciò che desideri, fatto di più materiali. Non ci sono quasi limiti in termini di ciò che puoi inviare alla stampante e ciò che ottieni è veramente funzionale e duraturo», afferma Katzschmann.
Il livello di controllo offerto dal sistema gli consente di stampare in modo molto preciso con la cera, che viene utilizzata come materiale di supporto per creare cavità o intricate reti di canali all'interno di un oggetto. La cera viene stampata sotto la struttura durante la fabbricazione del dispositivo. Una volta completato, l'oggetto viene riscaldato in modo che la cera si sciolga e dreni, lasciando canali aperti in tutto l'oggetto.
Poiché è in grado di regolare automaticamente e rapidamente la quantità di materiale depositato da ciascuno degli ugelli in tempo reale, il sistema non ha bisogno di trascinare una parte meccanica sulla superficie di stampa per mantenerla in piano. Ciò consente alla stampante di utilizzare materiali che polimerizzano più gradualmente e verrebbero macchiati da un raschietto.
Materiali superiori
I ricercatori hanno utilizzato il sistema per stampare con materiali a base di tioli, che polimerizzano più lentamente rispetto ai tradizionali materiali acrilici utilizzati nella stampa 3D. Tuttavia, i materiali a base di tiolo sono più elastici e non si rompono così facilmente come gli acrilati. Inoltre tendono ad essere più stabili in un intervallo di temperature più ampio e non si degradano così rapidamente se esposti alla luce solare.
«Si tratta di proprietà molto importanti quando si vogliono fabbricare robot o sistemi che devono interagire con un ambiente reale», afferma il dottor Katzschmann.
I ricercatori hanno utilizzato materiali a base di tiolo e cera per fabbricare diversi dispositivi complessi che altrimenti sarebbero quasi impossibili da realizzare con i sistemi di stampa 3D esistenti. Per prima cosa, hanno prodotto una mano robotica funzionale, guidata da tendini, dotata di 19 tendini azionabili in modo indipendente, dita morbide con cuscinetti sensori e ossa rigide e portanti.
«Abbiamo anche prodotto un robot ambulante a sei zampe in grado di percepire gli oggetti e afferrarli, il che è stato possibile grazie alla capacità del sistema di creare interfacce ermetiche di materiali morbidi e rigidi, nonché canali complessi all'interno della struttura», afferma il dottor Buchner.
Il team ha anche presentato la tecnologia attraverso una pompa simile a un cuore con ventricoli integrati e valvole cardiache artificiali, nonché metamateriali che possono essere programmati per avere proprietà dei materiali non lineari.
«Questo è solo l'inizio. Esiste un numero sorprendente di nuovi tipi di materiali che puoi aggiungere a questa tecnologia. Ciò ci consente di introdurre famiglie di materiali completamente nuove che prima non potevano essere utilizzate nella stampa 3D», afferma il dottor Matusik.
I ricercatori stanno ora valutando l’utilizzo del sistema per stampare con idrogel, che vengono utilizzati in applicazioni di ingegneria tissutale, nonché materiali siliconici, resine epossidiche e tipi speciali di polimeri durevoli.
Vogliono anche esplorare nuove aree di applicazione, come la stampa di dispositivi medici personalizzabili, tamponi per lucidatura di semiconduttori e robot ancora più complessi.
Questa ricerca è stata finanziata, in parte, dal Credit Suisse, dal Fondo nazionale svizzero per la ricerca scientifica, dalla US Defense Advanced Research Projects Agency e dalla National Science Foundation statunitense.
Riferimenti:
(1) Wojciech Matusik
(2) Thomas Buchner
(4) Vision-controlled jetting for composite systems and robots
Descrizione foto: Questo rendering mostra un robot che viene costruito strato per strato utilizzando il nuovo processo. Le sfere nere rappresentano il materiale utilizzato dalla stampante. Il materiale viene quindi polimerizzato dalla luce UV, rappresentata in blu. Nella parte superiore dell'immagine ci sono le telecamere che scansionano la procedura e si regolano di conseguenza. - Credit: Moritz Hocher.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: This 3D printer can watch itself fabricate objects
