Una nueva impresora de inyección de tinta 3D multimaterial de alto rendimiento utiliza visión por computadora para controlar rápida y automáticamente la cantidad de material que se imprime en tiempo real. Esta representación muestra un robot construido capa por capa utilizando el proceso. Las esferas negras representan el material que utiliza la impresora. Luego, el material se cura con luz ultravioleta, representada en azul. En la parte superior de la imagen están las cámaras que escanean el procedimiento y realizan los ajustes necesarios. Crédito: Moritz Hocher
La visión por computadora permite la impresión 3D sin contacto, lo que permite a los ingenieros imprimir con materiales de alto rendimiento que antes no podían usar.
Con los sistemas de impresión de inyección de tinta 3D, los ingenieros pueden fabricar estructuras híbridas que tienen componentes blandos y duros, como pinzas robóticas que son lo suficientemente fuertes para agarrar objetos pesados pero lo suficientemente suaves para interactuar de forma segura con los humanos.
Estos sistemas de impresión 3D multimaterial utilizan miles de boquillas para depositar pequeñas gotas de resina, que se alisan con un raspador o un rodillo y se curan con luz ultravioleta. Sin embargo, el proceso de alisado puede aplastar o teñir las resinas de curado lento, lo que limita los tipos de materiales que se pueden utilizar.
Un gran avance de investigadores del MIT y ETH Zurich
Investigadores del MIT, Inkbit, una empresa derivada del MIT, y ETH Zurich han desarrollado un nuevo sistema de impresión de inyección de tinta 3D que funciona con una gama mucho más amplia de materiales. Su impresora utiliza visión por computadora para escanear automáticamente la superficie de impresión 3D y ajustar la cantidad de resina que deposita cada boquilla en tiempo real para garantizar que ningún área tenga demasiado o muy poco material.
Al no requerir piezas mecánicas para alisar la resina, este sistema sin contacto trabaja con materiales que curan más lentamente que los acrilatos tradicionalmente utilizados en la impresión 3D. Algunos productos químicos de curado más lento pueden ofrecer un mejor rendimiento que los acrilatos, como mayor elasticidad, durabilidad o longevidad.
Velocidad y precisión en la impresión 3D
Sorprendentemente, el sistema automático continúa realizando ajustes sin detener ni ralentizar el proceso de impresión. Como resultado, esta impresora de producción es aproximadamente 660 veces más rápida que un sistema de impresión de inyección de tinta 3D comparable.
Los investigadores utilizaron esta impresora para crear complejos dispositivos robóticos que combinan materiales blandos y duros. Por ejemplo, fabricaron una pinza robótica totalmente impresa en 3D con forma de mano humana y controlada por un conjunto de tendones reforzados pero flexibles.
Los investigadores han producido una mano robótica funcional impulsada por tendones que tiene 19 tendones accionables de forma independiente, dedos suaves con almohadillas sensoriales y huesos rígidos que soportan carga. Crédito: Cortesía de Wojciech Matusik, Robert Katzschmann, Thomas Buchner y otros
“Nuestra idea clave aquí fue desarrollar un sistema de visión artificial y un circuito de retroalimentación completamente activo. Esto es casi como darle a una impresora ojos y un cerebro, donde los ojos observan lo que se imprime y luego el cerebro de la máquina le indica lo que se debe imprimir a continuación”, dice el coautor Wojciech Matusik. , profesor de ingeniería eléctrica e informática en el MIT que dirige el Grupo de Diseño y Fabricación Computacional en el Laboratorio de Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial del MIT (CSAIL).
En el artículo se unen al autor principal Thomas Buchner, estudiante de doctorado en ETH Zurich, el coautor correspondiente Robert Katzschmann, PhD ’18, profesor asistente de robótica que dirige el Laboratorio de Robótica Suave en ETH Zurich; así como otros en ETH Zurich e Inkbit. La investigación se publicará hoy (15 de noviembre) en la revista Nature.
Impresión versátil y sin contacto
Este artículo se basa en una impresora 3D multimaterial de bajo costo conocida como MultiFab, que los investigadores lanzaron en 2015. Al utilizar miles de boquillas para depositar pequeñas gotas de resina curada con UV, MultiFab ha permitido la impresión 3D de alta resolución con hasta 10 materiales a la vez.
Con este nuevo proyecto, los investigadores buscaban un proceso sin contacto que ampliara la gama de materiales que podrían utilizar para fabricar dispositivos más complejos.
Desarrollaron una técnica, conocida como inyección controlada por visión, que utiliza cuatro cámaras de alta velocidad de fotogramas y dos láseres que escanean rápida y continuamente la superficie de impresión. Las cámaras capturan imágenes mientras miles de boquillas depositan pequeñas gotas de resina.
El sistema de visión por computadora convierte la imagen en un mapa de profundidad de alta resolución, un cálculo que tarda menos de un segundo en realizarse. Compara el mapa de profundidad con el modelo CAD (diseño asistido por computadora) de la pieza que se está fabricando y ajusta la cantidad de resina que se deposita para mantener el objeto en el objetivo con la estructura final.
El sistema automatizado puede realizar ajustes a cualquier boquilla individual. Como la impresora tiene 16.000 boquillas, el sistema puede controlar los detalles del dispositivo que se está fabricando.
“Geométricamente, puede imprimir casi cualquier cosa que desees, hecha de diversos materiales. Casi no hay limitaciones en cuanto a lo que se puede enviar a la impresora, y lo que se obtiene es verdaderamente funcional y duradero”, afirma Katzschmann.
El nivel de control que proporciona el sistema permite imprimir con mucha precisión con cera, que se utiliza como material de soporte para crear cavidades o intrincadas redes de canales dentro de un objeto. La cera se imprime debajo de la estructura a medida que se fabrica el dispositivo. Una vez completado, el objeto se calienta para que la cera se derrita y fluya, dejando canales abiertos por todo el objeto.
Al poder ajustar automática y rápidamente la cantidad de material depositado por cada una de las boquillas en tiempo real, el sistema no necesita arrastrar una pieza mecánica por la superficie de impresión para mantenerla nivelada. Esto permite al impresor utilizar materiales que se curan más gradualmente y que se mancharían con un raspador.
Materiales superiores
Los investigadores utilizaron el sistema para imprimir con materiales a base de tiol, que curan más lentamente que los materiales acrílicos tradicionales utilizados en la impresión 3D. Sin embargo, los materiales a base de tiol son más elásticos y no se rompen tan fácilmente como los acrilatos. También tienden a ser más estables en un rango más amplio de temperaturas y no se degradan tan rápidamente cuando se exponen a la luz solar.
«Éstas son propiedades muy importantes cuando se quieren fabricar robots o sistemas que necesitan interactuar con un entorno del mundo real», afirma Katzschmann.
Los investigadores han utilizado materiales a base de tiol y cera para fabricar varios dispositivos complejos que de otro modo serían casi imposibles de fabricar con los sistemas de impresión 3D existentes. Por un lado, produjeron una mano robótica funcional impulsada por tendones que tiene 19 tendones accionables de forma independiente, dedos suaves con almohadillas sensoriales y huesos rígidos que soportan carga.
«También creamos un robot andante de seis patas que puede detectar objetos y agarrarlos, lo que fue posible gracias a la capacidad del sistema para crear interfaces herméticas de materiales blandos y rígidos, así como canales complejos dentro de la estructura», dice Buchner.
El equipo también mostró la tecnología a través de una bomba similar a un corazón con ventrículos integrados y válvulas cardíacas artificiales, así como metamateriales que pueden programarse para tener propiedades materiales no lineales.
«Este es solo el comienzo. Hay una cantidad increíble de nuevos tipos de materiales que puedes agregar a esta tecnología. Esto nos permite incorporar familias de materiales completamente nuevas que antes no se podían utilizar en la impresión 3D”, afirma Matusik.
Los investigadores ahora están considerando utilizar el sistema para imprimir con hidrogeles, que se utilizan en aplicaciones de ingeniería de tejidos, así como materiales de silicio, epoxis y tipos especiales de polímeros duraderos.
También quieren explorar nuevas áreas de aplicación, como la impresión de dispositivos médicos personalizables, almohadillas para pulir semiconductores e incluso robots más complejos.
Referencia: “Voladuras controladas por visión para robots y sistemas compuestos” por Thomas JK Buchner, Simon Rogler, Stefan Weirich, Yannick Armati, Barnabas Gavin Cangan, Javier Ramos, Scott T. Twiddy, Davide M. Marini, Aaron Weber, Desai Chen, Greg Ellson, Joshua Jacob, Walter Zengerle, Dmitriy Katalichenko, Chetan Keny, Wojciech Matusik y Robert K. Katzschmann, 15 de noviembre de 2023. Naturaleza.
DOI: 10.1038/s41586-023-06684-3
Esta investigación fue financiada, en parte, por Credit Suisse, la Fundación Nacional Suiza para la Ciencia, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) y la Fundación Nacional para la Ciencia (NSF).
