Bilgisayarlı görme, temassız 3D baskıyı mümkün kılarak mühendislerin daha önce kullanamadıkları yüksek performanslı malzemelerle baskı yapmasına olanak tanır.
Mühendisler, 3D mürekkep püskürtmeli baskı sistemleriyle, ağır nesneleri kavrayacak kadar güçlü ancak insanlarla güvenli bir şekilde etkileşime girecek kadar yumuşak robotik tutucular gibi yumuşak ve sert bileşenlere sahip hibrit yapılar üretebilirler.
Bu çok malzemeli 3D baskı sistemleri, bir kazıyıcı veya rulo ile yumuşatılan ve UV ışığıyla sertleştirilen küçük reçine damlacıklarını biriktirmek için binlerce nozul kullanır. Ancak yumuşatma işlemi yavaş sertleşen reçineleri ezebilir veya lekeleyebilir, bu da kullanılabilecek malzeme türlerini sınırlayabilir.
MIT ve ETH Zürih Araştırmacılarından Bir Atılım
MİT spinout Inkbit ve ETH Zürih çok daha geniş bir malzeme yelpazesiyle çalışan yeni bir 3D inkjet baskı sistemi geliştirdik. Yazıcıları, 3D baskı yüzeyini otomatik olarak taramak ve hiçbir alanda çok fazla veya çok az malzeme bulunmadığından emin olmak için her nozülün biriktirdiği reçine miktarını gerçek zamanlı olarak ayarlamak için bilgisayar görüşünü kullanıyor.
Reçineyi yumuşatmak için mekanik parçalara ihtiyaç duymadığından bu temassız sistem, geleneksel olarak 3D baskıda kullanılan akrilatlardan daha yavaş kürlenen malzemelerle çalışır. Daha yavaş sertleşen bazı malzeme kimyaları, daha fazla esneklik, dayanıklılık veya uzun ömür gibi akrilatlara göre daha iyi performans sunabilir.
3D Baskıda Hız ve Hassasiyet
Otomatik sistemin baskı işlemini durdurmadan veya yavaşlatmadan ayarlamalar yapmaya devam etmesi dikkat çekicidir. Sonuç olarak, bu üretim sınıfı yazıcı, benzer bir 3D mürekkep püskürtmeli baskı sisteminden yaklaşık 660 kat daha hızlıdır.
Araştırmacılar bu yazıcıyı yumuşak ve sert malzemeleri birleştiren karmaşık, robotik cihazlar oluşturmak için kullandılar. Örneğin, insan eli şeklinde olan ve bir dizi güçlendirilmiş ancak esnek tendon tarafından kontrol edilen tamamen 3D baskılı robotik bir tutucu yaptılar.
“Buradaki temel anlayışımız, bir yapay görme sistemi ve tamamen aktif bir geri bildirim döngüsü geliştirmekti. Bu, neredeyse bir yazıcıya bir çift göz ve bir beyin donatmak gibi; gözlerin basılan şeyi gözlemlediği ve ardından makinenin beyni onu bir sonraki adımda ne basılması gerektiği konusunda yönlendiriyor” diyor yazarlardan biri olan Wojciech Matusik MIT Bilgisayar Bilimi ve Yapay Zeka Laboratuvarı (CSAIL) bünyesindeki Hesaplamalı Tasarım ve Üretim Grubuna liderlik eden, MIT’de elektrik mühendisliği ve bilgisayar bilimleri profesörü.
Makalede kendisine ETH Zürih’te doktora öğrencisi olan baş yazar Thomas Buchner, ETH Zürih’teki Yumuşak Robotik Laboratuvarı’nı yöneten robot bilimi yardımcı doçenti, eş-yazarı Robert Katzschmann, PhD ’18; ETH Zürih ve Inkbit’teki diğerleri gibi. Araştırma bugün (15 Kasım) dergide yayınlanacak Doğa.
Temassız ve Çok Yönlü Baskı
Bu makale, düşük maliyetli, çok malzemeli bir 3D yazıcıyı geliştiriyor. Araştırmacılar bunu 2015 yılında tanıttı. MultiFab, UV ile kürlenen küçük reçine damlacıklarını biriktirmek için binlerce nozül kullanarak, aynı anda 10’a kadar malzemeyle yüksek çözünürlüklü 3D baskıyı mümkün kıldı.
Bu yeni projeyle araştırmacılar, daha karmaşık cihazlar üretmek için kullanabilecekleri malzeme yelpazesini genişletecek temassız bir süreç aradılar.
Dört adet yüksek kare hızlı kamera ve baskı yüzeyini hızla ve sürekli olarak tarayan iki lazer kullanan, görüş kontrollü püskürtme olarak bilinen bir teknik geliştirdiler. Kameralar, binlerce nozulun küçük reçine damlacıkları bırakmasıyla görüntüler yakalıyor.
Bilgisayarlı görüş sistemi, görüntüyü yüksek çözünürlüklü bir derinlik haritasına dönüştürür; bu işlemin gerçekleştirilmesi bir saniyeden kısa sürer. Derinlik haritasını, üretilmekte olan parçanın CAD (bilgisayar destekli tasarım) modeliyle karşılaştırır ve nesneyi nihai yapıyla hedefte tutmak için biriktirilen reçine miktarını ayarlar.
Otomatik sistem herhangi bir nozulda ayarlamalar yapabilir. Yazıcının 16.000 püskürtme ucu olduğundan sistem, üretilmekte olan cihazın ince ayrıntılarını kontrol edebiliyor.
“Geometrik olarak birden fazla malzemeden yapılmış istediğiniz neredeyse her şeyi basabiliyor. Yazıcıya gönderebileceğiniz şeyler açısından neredeyse hiçbir sınırlama yok ve elde edeceğiniz şey gerçekten işlevsel ve uzun ömürlü,” diyor Katzschmann.
Sistemin sağladığı kontrol seviyesi, bir nesnenin içinde boşluklar veya karmaşık kanal ağları oluşturmak için destek malzemesi olarak kullanılan balmumu ile çok hassas bir şekilde baskı yapmasına olanak tanıyor. Cihaz üretilirken balmumu yapının altına yazdırılır. Tamamlandıktan sonra nesne ısıtılır, böylece balmumu erir ve dışarı akar, böylece nesnenin her yerinde açık kanallar kalır.
Her bir püskürtme ucu tarafından bırakılan malzeme miktarını gerçek zamanlı olarak otomatik ve hızlı bir şekilde ayarlayabildiği için sistemin, düz tutmak için baskı yüzeyi boyunca mekanik bir parçayı sürüklemesine gerek yoktur. Bu, yazıcının daha yavaş sertleşen ve kazıyıcı tarafından lekelenebilecek malzemeleri kullanmasını sağlar.
Üstün Malzemeler
Araştırmacılar sistemi, 3D baskıda kullanılan geleneksel akrilik malzemelerden daha yavaş sertleşen tiyol bazlı malzemelerle baskı yapmak için kullandılar. Ancak tiyol bazlı malzemeler daha elastiktir ve akrilatlar kadar kolay kırılmaz. Ayrıca daha geniş bir sıcaklık aralığında daha kararlı olma eğilimindedirler ve güneş ışığına maruz kaldıklarında o kadar çabuk bozulmazlar.
Katzschmann, “Gerçek dünya ortamıyla etkileşime girmesi gereken robotlar veya sistemler üretmek istediğinizde bunlar çok önemli özelliklerdir” diyor.
Araştırmacılar, mevcut 3D baskı sistemleriyle yapılması neredeyse imkansız olan çeşitli karmaşık cihazları üretmek için tiyol bazlı malzemeler ve balmumu kullandılar. Birincisi, bağımsız olarak çalıştırılabilen 19 tendona, sensör pedli yumuşak parmaklara ve sert, yük taşıyan kemiklere sahip, işlevsel, tendonla çalışan bir robotik el ürettiler.
Buchner, “Ayrıca nesneleri algılayabilen ve onları kavrayabilen altı bacaklı yürüyen bir robot da ürettik; bu, sistemin yumuşak ve sert malzemelerden hava geçirmez arayüzler oluşturmasının yanı sıra yapı içindeki karmaşık kanallar oluşturma yeteneği sayesinde mümkün oldu” diyor Buchner.
Ekip ayrıca entegre ventriküllere ve yapay kalp kapakçıklarına sahip kalbe benzer bir pompanın yanı sıra teknolojiyi de sergiledi. metamalzemeler doğrusal olmayan malzeme özelliklerine sahip olacak şekilde programlanabilir.
“Bu sadece başlangıç. Bu teknolojiye ekleyebileceğiniz inanılmaz sayıda yeni malzeme türü var. Bu, daha önce 3D baskıda kullanılamayan tamamen yeni malzeme ailelerini getirmemize olanak sağlıyor” diyor Matusik.
Araştırmacılar artık sistemi, doku mühendisliği uygulamalarında kullanılan hidrojellerin yanı sıra silikon malzemeler, epoksiler ve özel tipte dayanıklı polimerlerle baskı yapmak için kullanmayı düşünüyor.
Ayrıca özelleştirilebilir tıbbi cihazların basılması, yarı iletken cila pedleri ve hatta daha karmaşık robotlar gibi yeni uygulama alanlarını keşfetmek istiyorlar.
Referans: “Kompozit sistemler ve robotlar için görüş kontrollü püskürtme” 15 Kasım 2023.
Bu araştırma kısmen Credit Suisse, İsviçre Ulusal Bilim Vakfı ve Savunma İleri Araştırma Projeleri Ajansı tarafından finanse edildi (DARPA) ve Ulusal Bilim Vakfı (NSF).