Une nouvelle imprimante à jet d’encre 3D multimatériaux à haut débit utilise la vision par ordinateur pour contrôler rapidement et automatiquement la quantité de matériau imprimé en temps réel. Ce rendu montre un robot construit couche par couche en utilisant le processus. Les sphères noires représentent le matériau utilisé par l’imprimante. Le matériau est ensuite durci par la lumière UV, représentée en bleu. En haut de l’image se trouvent les caméras qui scannent la procédure et s’ajustent en conséquence. Crédit : Moritz Hocher
La vision par ordinateur permet l’impression 3D sans contact, permettant ainsi aux ingénieurs d’imprimer avec des matériaux hautes performances qu’ils ne pouvaient pas utiliser auparavant.
Avec les systèmes d’impression à jet d’encre 3D, les ingénieurs peuvent fabriquer des structures hybrides comportant des composants souples et rigides, comme des pinces robotiques suffisamment solides pour saisir des objets lourds mais suffisamment souples pour interagir en toute sécurité avec les humains.
Ces systèmes d’impression 3D multimatériaux utilisent des milliers de buses pour déposer de minuscules gouttelettes de résine, qui sont lissées avec un grattoir ou un rouleau et durcies à la lumière UV. Cependant, le processus de lissage pourrait écraser ou maculer les résines qui durcissent lentement, limitant ainsi les types de matériaux pouvant être utilisés.
Une percée des chercheurs du MIT et de l’ETH Zurich
Des chercheurs du MIT, du MIT spinout Inkbit et l’ETH Zurich ont développé un nouveau système d’impression à jet d’encre 3D qui fonctionne avec une gamme beaucoup plus large de matériaux. Leur imprimante utilise la vision par ordinateur pour numériser automatiquement la surface d’impression 3D et ajuster la quantité de résine déposée par chaque buse en temps réel afin de garantir qu’aucune zone ne contient trop ou pas assez de matière.
Puisqu’il ne nécessite pas de pièces mécaniques pour lisser la résine, ce système sans contact fonctionne avec des matériaux qui durcissent plus lentement que les acrylates traditionnellement utilisés en impression 3D. Certaines compositions chimiques de matériaux à durcissement plus lent peuvent offrir des performances améliorées par rapport aux acrylates, telles qu’une plus grande élasticité, durabilité ou longévité.
Vitesse et précision dans l’impression 3D
Remarquablement, le système automatique continue d’effectuer des ajustements sans arrêter ni ralentir le processus d’impression. En conséquence, cette imprimante de qualité production est environ 660 fois plus rapide qu’un système d’impression à jet d’encre 3D comparable.
Les chercheurs ont utilisé cette imprimante pour créer des dispositifs robotiques complexes combinant des matériaux souples et rigides. Par exemple, ils ont fabriqué une pince robotique entièrement imprimée en 3D en forme de main humaine et contrôlée par un ensemble de tendons renforcés mais flexibles.
Les chercheurs ont produit une main robotique fonctionnelle, entraînée par les tendons, dotée de 19 tendons actionnables indépendamment, de doigts souples dotés de capteurs et d’os rigides et porteurs. Crédit : Avec l’aimable autorisation de Wojciech Matusik, Robert Katzschmann, Thomas Buchner et al.
« Notre idée clé ici était de développer un système de vision industrielle et une boucle de rétroaction complètement active. C’est presque comme doter une imprimante d’yeux et d’un cerveau, où les yeux observent ce qui est en cours d’impression, puis le cerveau de la machine lui indique ce qui doit être imprimé ensuite », explique l’auteur co-correspondant Wojciech Matusik. , professeur de génie électrique et d’informatique au MIT qui dirige le groupe de conception et de fabrication informatiques au sein du laboratoire d’informatique et d’intelligence artificielle du MIT (CSAIL).
Il est rejoint dans l’article par l’auteur principal Thomas Buchner, doctorant à l’ETH Zurich, l’auteur co-correspondant Robert Katzschmann, PhD ’18, professeur assistant de robotique qui dirige le laboratoire de robotique douce de l’ETH Zurich ; ainsi que d’autres à l’ETH Zurich et à Inkbit. La recherche sera publiée aujourd’hui (15 novembre) dans la revue Nature.
Impression polyvalente et sans contact
Cet article s’appuie sur une imprimante 3D multimatériaux à faible coût connue sous le nom de MultiFab que les chercheurs ont introduite en 2015. En utilisant des milliers de buses pour déposer de minuscules gouttelettes de résine durcies par UV, MultiFab a permis une impression 3D haute résolution avec jusqu’à 10 matériaux à la fois.
Avec ce nouveau projet, les chercheurs recherchaient un processus sans contact qui élargirait la gamme de matériaux qu’ils pourraient utiliser pour fabriquer des dispositifs plus complexes.
Ils ont développé une technique, connue sous le nom de jet contrôlé par vision, qui utilise quatre caméras à fréquence d’images élevée et deux lasers qui balayent rapidement et en continu la surface d’impression. Les caméras capturent des images tandis que des milliers de buses déposent de minuscules gouttelettes de résine.
Le système de vision par ordinateur convertit l’image en une carte de profondeur haute résolution, un calcul qui prend moins d’une seconde. Il compare la carte de profondeur au modèle CAO (conception assistée par ordinateur) de la pièce en cours de fabrication et ajuste la quantité de résine déposée pour maintenir l’objet sur la cible avec la structure finale.
Le système automatisé peut effectuer des ajustements sur n’importe quelle buse individuelle. Étant donné que l’imprimante dispose de 16 000 buses, le système peut contrôler les moindres détails de l’appareil en cours de fabrication.
« Géométriquement, elle peut imprimer presque tout ce que vous voulez, à partir de plusieurs matériaux. Il n’y a pratiquement aucune limite quant à ce que vous pouvez envoyer à l’imprimeur, et ce que vous obtenez est véritablement fonctionnel et durable », explique Katzschmann.
Le niveau de contrôle offert par le système lui permet d’imprimer très précisément avec de la cire, qui est utilisée comme matériau de support pour créer des cavités ou des réseaux complexes de canaux à l’intérieur d’un objet. La cire est imprimée sous la structure au fur et à mesure de la fabrication de l’appareil. Une fois terminé, l’objet est chauffé pour que la cire fonde et s’écoule, laissant des canaux ouverts dans tout l’objet.
Parce qu’il peut ajuster automatiquement et rapidement la quantité de matériau déposé par chacune des buses en temps réel, le système n’a pas besoin de faire glisser une pièce mécanique sur la surface d’impression pour la maintenir à niveau. Cela permet à l’imprimeur d’utiliser des matériaux qui durcissent plus progressivement et qui seraient tachés par un grattoir.
Matériaux supérieurs
Les chercheurs ont utilisé le système pour imprimer avec des matériaux à base de thiol, qui durcissent plus lentement que les matériaux acryliques traditionnels utilisés dans l’impression 3D. Cependant, les matériaux à base de thiol sont plus élastiques et ne se cassent pas aussi facilement que les acrylates. Ils ont également tendance à être plus stables sur une plus large plage de températures et ne se dégradent pas aussi rapidement lorsqu’ils sont exposés au soleil.
« Ce sont des propriétés très importantes lorsque vous souhaitez fabriquer des robots ou des systèmes devant interagir avec un environnement réel », explique Katzschmann.
Les chercheurs ont utilisé des matériaux et de la cire à base de thiol pour fabriquer plusieurs dispositifs complexes qui seraient autrement presque impossibles à réaliser avec les systèmes d’impression 3D existants. D’une part, ils ont produit une main robotique fonctionnelle, entraînée par les tendons, dotée de 19 tendons actionnables indépendamment, de doigts souples dotés de coussinets de capteurs et d’os rigides et porteurs.
« Nous avons également produit un robot marcheur à six pattes capable de détecter des objets et de les saisir, ce qui a été possible grâce à la capacité du système à créer des interfaces hermétiques de matériaux souples et rigides, ainsi que des canaux complexes à l’intérieur de la structure », explique Buchner.
L’équipe a également présenté la technologie grâce à une pompe en forme de cœur avec ventricules intégrés et valvules cardiaques artificielles, ainsi qu’à métamatériaux qui peut être programmé pour avoir des propriétés matérielles non linéaires.
« Ce n’est qu’un début. Il existe un nombre incroyable de nouveaux types de matériaux que vous pouvez ajouter à cette technologie. Cela nous permet d’introduire de toutes nouvelles familles de matériaux qui ne pouvaient pas être utilisées auparavant en impression 3D », explique Matusik.
Les chercheurs envisagent maintenant d’utiliser le système pour imprimer avec des hydrogels, utilisés dans des applications d’ingénierie tissulaire, ainsi qu’avec des matériaux à base de silicium, des époxy et des types spéciaux de polymères durables.
Ils souhaitent également explorer de nouveaux domaines d’application, tels que l’impression de dispositifs médicaux personnalisables, de tampons de polissage pour semi-conducteurs et de robots encore plus complexes.
Cette recherche a été financée en partie par le Crédit Suisse, le Fonds national suisse, la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) et la National Science Foundation (NSF).
