有了3D喷墨打印系统，工程师们可以制造出软硬混合结构，比如机器人的抓手，它足够强壮，可以抓住重物，但又足够柔软，可以安全地与人类互动。

这些多材料3D打印系统利用数千个喷嘴沉积微小的树脂液滴，用刮板或滚筒将其平滑，并用紫外线固化。但平滑过程可能会压扁或涂抹固化缓慢的树脂，从而限制了可使用的材料类型。

来自麻省理工学院、麻省理工学院衍生Inkbit和苏黎世联邦理工学院的研究人员已经开发出一种新的3D喷墨打印系统，可以使用更广泛的材料。他们的打印机利用计算机视觉自动扫描3D打印表面，并实时调整每个喷嘴沉积的树脂量，以确保任何区域都不会有太多或太少的材料。

由于它不需要机械部件来光滑树脂，这种非接触式系统与固化速度比传统上用于3D打印的丙烯酸酯更慢的材料一起工作。一些较慢固化的化学材料可以提供比丙烯酸酯更好的性能，如更大的弹性，耐久性或寿命。

此外，自动系统在不停止或减慢打印过程的情况下进行调整，使这款生产级打印机比同类3D喷墨打印系统快约660倍。

研究人员用这台打印机制造了复杂的机器人设备，将软硬材料结合在一起。例如，他们制造了一个完全3d打印的机器人抓手，形状像人手，由一组增强的、灵活的肌腱控制。

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“我们的关键想法是开发一个机器视觉系统和完全主动的反馈回路。这几乎就像给打印机赋予了一组眼睛和一个大脑，眼睛观察正在打印的东西，然后机器的大脑指导它下一步应该打印什么，”共同通讯作者Wojciech Matusik说，他是麻省理工学院电子工程和计算机科学教授，领导麻省理工学院计算机科学和人工智能实验室(CSAIL)的计算设计和制造小组。

论文的主要作者包括苏黎世联邦理工学院的博士生Thomas Buchner，共同通讯作者Robert Katzschmann博士，领导苏黎世联邦理工学院软机器人实验室的机器人助理教授;以及苏黎世联邦理工学院和Inkbit的其他人。这项研究发表在今天的《自然》杂志上。

研究人员在2015年推出了一款名为MultiFab的低成本多材料3D打印机，这篇论文就是基于这款打印机制作的。通过使用数千个喷嘴沉积紫外线固化的微小树脂滴，MultiFab可以一次使用多达10种材料进行高分辨率3D打印。

在这个新项目中，研究人员寻求一种非接触式工艺，以扩大他们可用于制造更复杂设备的材料范围。

他们开发了一种被称为视觉控制喷射的技术，该技术利用四个高帧率摄像机和两个快速连续扫描打印表面的激光器。摄像机捕捉到成千上万个喷嘴沉积微小树脂滴的图像。

计算机视觉系统将图像转换为高分辨率深度图，计算时间不到一秒钟。它将深度图与正在制造的零件的CAD(计算机辅助设计)模型进行比较，并调整沉积的树脂量，以使物体与最终结构保持一致。

自动化系统可以对任何单个喷嘴进行调整。由于打印机有16,000个喷嘴，该系统可以控制正在制造的设备的精细细节。

“从几何上讲，它几乎可以打印任何你想要的东西，由多种材料制成。你可以发送给打印机的东西几乎没有限制，你得到的东西是真正实用和持久的，”卡兹曼说。

该系统提供的控制水平使其能够非常精确地使用蜡进行打印，蜡被用作支撑材料，在物体内部创建空腔或复杂的通道网络。当装置被制造时，蜡被印在结构的下面。完成后，将物体加热，使蜡融化并排出，在整个物体上留下开放的通道。

因为它可以自动快速地实时调整每个喷嘴沉积的材料量，所以该系统不需要在打印表面上拖动机械部件来保持其水平。这使得打印机可以使用固化更缓慢的材料，并且可以用刮板涂抹。

优越的材料

研究人员使用该系统来打印硫醇基材料，这种材料比3D打印中使用的传统丙烯酸材料固化速度慢。然而，硫醇基材料更有弹性，不像丙烯酸酯那样容易断裂。它们在更大的温度范围内也更稳定，暴露在阳光下也不会很快降解。

卡兹曼说:“当你想制造需要与现实环境互动的机器人或系统时，这些都是非常重要的特性。”

研究人员使用硫醇基材料和蜡来制造几个复杂的设备，否则用现有的3D打印系统几乎不可能制造这些设备。首先，他们制造了一个功能性的、由肌腱驱动的机器人手，它有19个独立可动的肌腱，带有传感器垫的柔软手指，以及坚硬的、能承重的骨头。

Buchner说:“我们还生产了一个六足行走机器人，它可以感知并抓住物体，这是由于该系统能够创建软材料和刚性材料的密封界面，以及结构内部的复杂通道。”

该团队还通过集成心室和人工心脏瓣膜的类心脏泵以及可编程具有非线性材料特性的超材料展示了该技术。

“这仅仅是个开始。你可以将数量惊人的新型材料添加到这项技术中。这使我们能够引入以前无法用于3D打印的全新材料系列，”Matusik说。

研究人员现在正在考虑使用该系统打印用于组织工程应用的水凝胶，以及硅材料、环氧树脂和特殊类型的耐用聚合物。

他们还希望探索新的应用领域，例如打印可定制的医疗设备，半导体抛光垫，甚至更复杂的机器人。

这项研究得到了瑞士信贷、瑞士国家科学基金会、美国国防高级研究计划局和美国国家科学基金会的部分资助。

作者：Adam Zewe b| MIT新闻

链接：https://news.mit.edu/2023/3d-printer-can-watch-itself-fabricate-objects-1115

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