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Utilizando sistemas de impresión de inyección de tinta 3D, los ingenieros pueden crear estructuras híbridas con componentes blandos y rígidos, como pinzas robóticas que son lo suficientemente fuertes para agarrar objetos pesados pero lo suficientemente suaves para interactuar de forma segura con las personas.
Estos sistemas de impresión 3D multimaterial utilizan miles de boquillas para aplicar 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 podría aplastar o manchar las resinas de curado lento, lo que limitaría los tipos de materiales que se pueden utilizar.
Investigadores del MIT, la filial del MIT Inkbit 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 aplica cada boquilla en tiempo real para garantizar que ninguna área contenga demasiado o muy poco material.
Como no se requieren piezas mecánicas para alisar la resina, este sistema sin contacto funciona con materiales que curan más lentamente que los acrilatos utilizados tradicionalmente en la impresión 3D. Algunas químicas de materiales de curado más lento pueden ofrecer un mejor rendimiento que los acrilatos, p. B. mayor elasticidad, durabilidad o longevidad.
Además, el sistema automatizado realiza ajustes sin detener ni ralentizar el proceso de impresión, lo que hace que esta impresora lista para producción sea aproximadamente 660 veces más rápida que un sistema de impresión de inyección de tinta 3D comparable.
Los investigadores utilizaron esta impresora para desarrollar complejos dispositivos robóticos que combinan materiales blandos y rígidos. 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.
“Nuestro hallazgo más importante aquí fue el desarrollo de un sistema de procesamiento de imágenes y un circuito de retroalimentación completamente activo. «Es casi como equipar una impresora con ojos y un cerebro, donde los ojos observan lo que se imprime y luego el cerebro le indica a la máquina qué imprimir a continuación», dice el coautor Wojciech Matusik, profesor de Ingeniería Eléctrica e Informática en el MIT. quien dirige el Grupo de Diseño y Fabricación Computacional dentro del Laboratorio de Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial del MIT (CSAIL).
El artículo cuenta con el apoyo del autor principal Thomas Buchner, estudiante de doctorado en ETH Zurich, el cocorresponsal 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 aparece hoy en Naturaleza.
Sin contacto
Este artículo se basa en una impresora 3D multimaterial de bajo costo llamada MultiFab que los investigadores presentaron en 2015. Al utilizar miles de boquillas para depositar pequeñas gotas de resina curadas con rayos UV, MultiFab permitió la impresión 3D de alta resolución de hasta 10 materiales a la vez.
Con este nuevo proyecto, los investigadores buscaron un proceso sin contacto que ampliara la gama de materiales que podrían utilizar para crear dispositivos más complejos.
Desarrollaron una técnica llamada inyección controlada por visión, en la que cuatro cámaras de alta velocidad de fotogramas y dos láseres escanean la superficie de impresión de forma rápida y continua. Las cámaras capturan imágenes mientras miles de boquillas liberan pequeñas gotas de resina.
El sistema de visión por computadora convierte la imagen en un mapa de profundidad de alta resolución, un cálculo que lleva menos de un segundo. Compara el mapa de profundidad con el modelo de diseño asistido por computadora (CAD) de la pieza que se está fabricando y ajusta la cantidad de resina aplicada para mantener el objeto en el objetivo con la estructura final.
El sistema automatizado puede realizar ajustes a cada boquilla individual. Dado que la impresora tiene 16.000 boquillas, el sistema puede controlar detalles finos del dispositivo que se fabrica.
“Hablando geométricamente, puede imprimir casi cualquier cosa que desee en múltiples materiales. Casi no hay restricciones en cuanto a la producción de impresión y el resultado es realmente funcional y duradero”, afirma Katzschmann.
El nivel de control que ofrece el sistema permite imprimir con mucha precisión con cera, que se utiliza como sustrato para crear cavidades o intrincadas redes de canales dentro de un objeto. La cera se imprime debajo de la estructura cuando 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.
Debido a que el sistema puede ajustar automática y rápidamente la cantidad de material aplicado por cada boquilla en tiempo real, el sistema no necesita arrastrar una pieza mecánica por la superficie de impresión para mantenerla plana. Esto permite que la impresora utilice materiales que se curan más lentamente 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 de temperatura más amplio y no se descomponen tan rápidamente cuando se exponen a la luz solar.
«Estas son propiedades muy importantes si se quieren crear robots o sistemas que deban interactuar con un entorno real», afirma Katzschmann.
Los investigadores utilizaron cera y materiales a base de tiol para crear varios dispositivos complejos que de otro modo serían difíciles de producir utilizando los sistemas de impresión 3D existentes. Primero, crearon 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 hemos desarrollado un robot andante de seis patas que puede reconocer y agarrar objetos. Esto fue posible porque el sistema es capaz de crear interfaces herméticas entre materiales blandos y rígidos, así como canales complejos dentro de la estructura”, afirma Buchner.
El equipo también demostró la tecnología utilizando 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.
«Eso es sólo el comienzo. Hay una asombrosa cantidad de nuevos tipos de materiales que se pueden agregar a esta tecnología. Esto nos permite introducir 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 utilizados en aplicaciones de ingeniería de tejidos, así como materiales de silicona, resinas epoxi y tipos especiales de polímeros duraderos.
También quieren explorar nuevas aplicaciones, como la impresión de dispositivos médicos personalizables, almohadillas para pulir semiconductores y robots aún más complejos.
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 de EE. UU. y la Fundación Nacional de Ciencia de EE. UU.
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