Pesquisadores do MIT, do spinout do MIT Inkbit e da ETH Zurich desenvolveram um novo sistema de impressão a jato de tinta 3D que funciona com uma gama muito mais ampla de materiais. Sua impressora utiliza a tecnologia de jato controlado por visão (VJC) da Inkbit, que aproveita a visão computacional para digitalizar automaticamente a superfície de impressão 3D e ajustar a quantidade de resina que cada bico deposita em tempo real para garantir que nenhuma área tenha muito ou pouco material.
Por não necessitar de peças mecânicas para alisar a resina, este sistema sem contato trabalha com materiais que curam mais lentamente que os acrilatos tradicionalmente utilizados na impressão 3D. Alguns produtos químicos de cura mais lenta podem oferecer melhor desempenho em relação aos acrilatos, como maior elasticidade, durabilidade ou longevidade.
Além disso, o sistema automático faz ajustes sem parar ou retardar o processo de impressão, tornando esta impressora de nível de produção cerca de 660 vezes mais rápida do que um sistema de impressão a jato de tinta 3D comparável.
Os pesquisadores usaram esta impressora para criar dispositivos robóticos complexos que combinam materiais macios e rígidos. Por exemplo, eles fizeram uma pinça robótica totalmente impressa em 3D em forma de mão humana e controlada por um conjunto de tendões reforçados, mas flexíveis.
“Nosso principal insight aqui foi desenvolver um sistema de visão mecânica e um ciclo de feedback totalmente ativo. Isso é quase como dotar uma impressora de olhos e cérebro, onde os olhos observam o que está sendo impresso e então o cérebro da máquina a direciona sobre o que deve ser impresso a seguir”, disse o co-autor Wojciech Matusik, professor de engenharia elétrica e ciência da computação no MIT que lidera o Grupo de Design e Fabricação Computacional do Laboratório de Ciência da Computação e Inteligência Artificial do MIT (CSAIL).
Ele é acompanhado no artigo pelo autor principal Thomas Buchner, estudante de doutorado na ETH Zurique, co-autor correspondente Robert Katzschmann PhD ’18, professor assistente de robótica que lidera o Laboratório de Robótica Suave na ETH Zurique; bem como outros na ETH Zurich e Inkbit. A pesquisa apareceu na Nature.
Jato de tinta inteligente
Com os sistemas de impressão a jato de tinta 3D, os engenheiros podem fabricar estruturas híbridas que possuem componentes macios e rígidos, como garras robóticas que são fortes o suficiente para agarrar objetos pesados, mas macias o suficiente para interagir com segurança com os seres humanos.
Esses sistemas de impressão 3D multimateriais utilizam milhares de bicos para depositar pequenas gotas de resina, que são alisadas com um raspador ou rolo e curadas com luz UV. Mas o processo de alisamento pode esmagar ou manchar resinas que curam lentamente, limitando os tipos de materiais que podem ser usados.
Este artigo da ETH, Inkbit e MIT baseia-se em uma impressora 3D multimaterial de baixo custo conhecida como MultiFab que os pesquisadores introduziram em 2015 (que eventualmente levou aos sistemas atuais da Inkbit). Ao utilizar milhares de bicos para depositar pequenas gotas de resina curadas por UV, o MultiFab possibilitou a impressão 3D de alta resolução com até 10 materiais de uma só vez.
Com este novo projeto, os pesquisadores buscaram um processo sem contato que ampliasse a gama de materiais que poderiam utilizar para fabricar dispositivos mais complexos.
Eles desenvolveram uma técnica, conhecida como jateamento controlado por visão (VJC), que utiliza quatro câmeras de alta taxa de quadros e dois lasers que escaneiam rápida e continuamente a superfície de impressão. As câmeras capturam imagens enquanto milhares de bicos depositam minúsculas gotas de resina.
Como o VCJ da Inkbit está mudando AM para o núcleo
A Inkbit, pioneira em soluções avançadas de fabricação aditiva, tem aproveitado comercialmente a tecnologia VJC no sistema InkbitVista para produzir peças usando materiais duráveis e de última geração. No entanto, estas ainda são peças de material único. O estudo da ETH, Inkbit e MIT sobre “Jateamento controlado por visão para sistemas compostos e robôs” demonstra como o VCJ abre uma nova fronteira na fabricação, expandindo as capacidades do Inkbit para recriar sinteticamente a intrincada estrutura e funcionalidade dos organismos naturais.
Assim, a VCJ oferece, pela primeira vez, a capacidade de fabricar com precisão sistemas complexos e multifuncionais em uma única impressão, sem a necessidade de montar subcomponentes. “Nossa tecnologia VCJ é uma mudança qualitativa no campo da manufatura aditiva”, disse Davide Marini, CEO da Inkbit. “Estamos diminuindo a distância entre as estruturas elegantemente sofisticadas que admiramos na natureza e a nossa capacidade de replicá-las sinteticamente. Isto não é apenas um passo em frente; é um salto para uma nova era de manufatura.”
A tecnologia VCJ da Inkbit originou-se da impressão 3D tradicional a jato de tinta e agora a leva a um nível totalmente novo, integrando um sistema de digitalização de visão computacional 3D habilitado para IA que captura a geometria de impressão de cada camada em tempo real. Essa operação digital de controle de feedback de circuito fechado elimina a necessidade de planificadores mecânicos e permite a impressão com produtos químicos de cura lenta que constroem a cadeia polimérica com mais precisão. Como resultado, a VCJ pode imprimir diretamente peças complexas de vários materiais em uma ampla gama de propriedades mecânicas com exatidão e precisão.
As aplicações práticas desta tecnologia são vastas. O VCJ não apenas melhora a resolução e as capacidades funcionais dos componentes impressos; também permite a fabricação de intrincadas redes internas de canais e cavidades para transportar sinais, energia ou fluidos através da estrutura. Com o VCJ, agora é possível fabricar diretamente sistemas sofisticados e multifuncionais, capazes de executar tarefas físicas complexas em grande escala. Para demonstrar as capacidades do VCJ, os autores do artigo da Nature imprimiram uma variedade de sistemas complexos, tais como: uma mão acionada por tendão modelada a partir de dados de ressonância magnética, um manipulador ambulante acionado pneumaticamente, uma bomba que imita um coração e novas estruturas de metamateriais.
“Com a tecnologia e os materiais VJC da Inkbit, pela primeira vez, fomos capazes de imprimir algo tão complexo como uma mão robótica com ossos, ligamentos e tendões, espelhando uma mão humana totalmente funcional, e fazê-lo de uma só vez”, disse o responsável da ETH Zurich. Tomás Buchner. “O material TEPU do Inkbit tem propriedades elásticas muito boas e retorna ao seu estado original muito mais rápido após ser dobrado do que os poliacrilatos, tornando-o ideal para produzir os ligamentos elásticos da mão robótica.”
O sistema de visão computacional converte a imagem em um mapa de profundidade de alta resolução, um cálculo que leva menos de um segundo para ser executado. Ele compara o mapa de profundidade com o modelo CAD (desenho auxiliado por computador) da peça que está sendo fabricada e ajusta a quantidade de resina que está sendo depositada para manter o objeto no alvo com a estrutura final.
O sistema automatizado pode fazer ajustes em qualquer bico individual. Como a impressora possui 16.000 bicos, o sistema pode controlar detalhes do dispositivo que está sendo fabricado.
“Geometricamente, ele pode imprimir quase tudo que você quiser, feito de vários materiais. Quase não há limitações em termos do que você pode enviar para a impressora, e o que você obtém é verdadeiramente funcional e duradouro”, disse Katzschmann.
O nível de controle proporcionado pelo sistema permite imprimir com muita precisão com cera, que é utilizada como material de suporte para criar cavidades ou intrincadas redes de canais dentro de um objeto. A cera é impressa abaixo da estrutura à medida que o dispositivo é fabricado. Depois de concluído, o objeto é aquecido para que a cera derreta e escorra, deixando canais abertos por todo o objeto.
Como pode ajustar automática e rapidamente a quantidade de material depositado por cada um dos bicos em tempo real, o sistema não precisa arrastar uma peça mecânica pela superfície de impressão para mantê-la nivelada. Isso permite que a impressora use materiais que curam mais gradualmente e que seriam manchados por um raspador.
Materiais superiores
Os pesquisadores da ETH, Inkbit e MIT usaram o sistema para imprimir com materiais à base de tiol, que têm cura mais lenta do que os materiais acrílicos tradicionais usados na impressão 3D. No entanto, os materiais à base de tiol são mais elásticos e não quebram tão facilmente quanto os acrilatos. Eles também tendem a ser mais estáveis em uma ampla faixa de temperaturas e não se degradam tão rapidamente quando expostos à luz solar.
“Essas são propriedades muito importantes quando se deseja fabricar robôs ou sistemas que precisam interagir com um ambiente do mundo real”, disse Katzschmann.
Os pesquisadores usaram materiais à base de tiol e cera para fabricar vários dispositivos complexos que de outra forma seriam quase impossíveis de fabricar com os sistemas de impressão 3D existentes. Por um lado, eles produziram uma mão robótica funcional, acionada por tendões, que possui 19 tendões acionáveis de forma independente, dedos macios com almofadas sensoras e ossos rígidos que suportam carga.
“Também produzimos um robô ambulante de seis pernas que pode sentir objetos e agarrá-los, o que foi possível devido à capacidade do sistema de criar interfaces herméticas de materiais macios e rígidos, bem como canais complexos dentro da estrutura”, disse Buchner.
A equipe também apresentou a tecnologia por meio de uma bomba semelhante a um coração com ventrículos integrados e válvulas cardíacas artificiais, bem como metamateriais que podem ser programados para terem propriedades materiais não lineares.
“Este é apenas o começo. Há um número incrível de novos tipos de materiais que você pode adicionar a essa tecnologia. Isso nos permite trazer famílias de materiais totalmente novas que antes não podiam ser usadas na impressão 3D”, disse Matusik.
Os pesquisadores agora estão pensando em usar o sistema para imprimir com hidrogéis, que são usados em aplicações de engenharia de tecidos, bem como materiais de silício, epóxis e tipos especiais de polímeros duráveis. Eles também querem explorar novas áreas de aplicação, como impressão de dispositivos médicos personalizáveis, almofadas de polimento de semicondutores e robôs ainda mais complexos. Para saber mais sobre a pesquisa acesse o site.
