3D打印机使用机器视觉来解决困扰3D喷墨打印机的问题，增加了可以使用的材料范围，并实现了机器人手等复杂物体的快速生产。
增材制造（也称为 3D 打印）的进步已经产生了越来越强大的能力，可以生产使用传统制造工艺无法制造的几何复杂结构。然而，将不同的材料无缝集成到一个高分辨率的3D打印工艺中仍然是一个挑战，特别是对于具有不同特性的材料。Writing in Nature， Buchner et al.1报告一个 3D 打印平台，该平台可以通过使用强大的机器视觉系统获取有关正在构建的物体的拓扑信息来实时快速调整其打印参数。这种方法被作者称为视觉控制喷射，它扩展了可用于喷墨3D打印的材料调色板，为制造具有高吞吐量的几何复杂多材料结构开辟了道路。
3D打印是一类广泛的制造技术，其中材料被添加在一起以生产物体，这与传统工艺相反，传统工艺是通过从散装材料中去除部分（例如，加工）或重新形成材料（例如成型）来工作。3D打印的增材制造特性提供了通过在微观水平上编程或调节材料特性来优化打印结构的机会，例如，通过调整加工条件或集成其他材料。在过去的几年里，机器视觉2和人工智能3也被纳入3D打印工艺中，以感知和适应打印环境，从而实现打印优化过程的自动化。
材料喷射是一类 3D 打印，可用于以微米级分辨率制造多材料结构。它的工作原理是通过数百到数千个可单独控制的喷嘴打印液态树脂材料。在最常见的机器喷射类型之一中，沉积的树脂在紫外线照射下会凝固（固化），因此可以逐层构建 3D 对象。
材料喷射的一个局限性是，由于可变流速、来自各个喷嘴的喷射液滴之间的干扰以及固化印刷液滴的收缩引起的液滴体积的内在变化，每个印刷层的厚度并不完全均匀。如果不进行调整，任何不规则性都会与后续层中的不规则性叠加，从而导致最终对象出现缺陷并最终导致打印失败。因此，需要一种称为机械平坦化的过程，在该过程中，刀片或滚筒将打印特征调平到其预期厚度，然后再打印下一层。然而，机械平坦化限制了可以打印的材料范围，因为只能使用与刮刀或滚筒兼容的材料，从而阻止了许多具有更适合消费品和工业产品的聚合物的使用。
为了解决这个问题，Buchner等人。开发了一种材料喷射3D打印机，该打印机集成了机器视觉系统，由四个摄像头和两个激光源组成，用于扫描打印层的轮廓。这种非接触式扫描以微尺度分辨率（低至 64 μm × 32 μm × 8 μm 的体积）获取拓扑信息。这并不是机器视觉集成到材料喷射3D打印机中的第一个例子4，但作者的定制系统扫描速度比前作中使用的系统快660倍，并且该系统的图形处理单元在不到一秒的时间内分析拓扑信息。然后将扫描的轮廓与所需结构的计算机模型进行比较，并调整后续层的墨水量以补偿与模型的任何偏差（图 1）。
图 1 |机器视觉如何防止 3D 打印失败。 a，在称为材料喷射的3D打印过程中，液态树脂通过可单独控制的喷嘴沉积。沉积的树脂在紫外线照射下会变硬，因此可以逐层构建 3D 物体。然而，打印层并不完全均匀，任何不规则性都可能堆积起来，导致最终物体出现缺陷。通常通过使用滚筒或刀片（未显示）对每一层进行平整来解决，但这限制了可以使用的材料范围。Buchner等人。1使用机器视觉系统（包括四个摄像头和两个激光源）来解决这个问题，该系统扫描每一层的表面，绘制出不规则性。b，然后打印机沉积额外的树脂以填充任何间隙。c，这会产生一个光滑的表面，可以在上面打印下一层。
这种反馈系统消除了机械平坦化的需要，允许使用与材料喷射不相容的树脂——例如，作者证明他们的平台可以打印某些类型的工程级聚合物。此外，该工艺还允许使用可移动的支撑材料，例如蜡，这些材料在生产复杂的特征时是必需的。令人印象深刻的是，结构复杂的多材料结构可以以高分辨率（体素尺寸为 32 μm × 64 μm × 20 μm;体素或体积像素是 3D 打印物体中最小的可区分元素）和高吞吐量（24 × 10）打印9每小时体素数）与目前市售的喷墨 3D 打印机相当。
作为概念验证，Buchner 等人。3D打印了由刚性承重核心和柔软可弯曲外壳组成的肌腱驱动手（图2）。该结构嵌入了允许气动驱动运动的通道，并与膜无缝集成（在指尖打印到位）用于测量施加的压力。他们还证明，手可以响应感应到的压力做出抓握动作。使用类似的设计，作者构建了一个可以移动、感知和抓取物体的多功能机器人。
图2 |3D打印的机械手。Buchner等人。1使用他们的机器视觉引导的3D打印机生产了一只机器人手，该手使用两种不同的材料进行打印。手可以气动驱动，以响应施加在指尖的压力来抓取物体。
Buchner及其同事还制造了一种类似于生物心脏的流体泵。该结构与单向阀、腔室、膜和导管集成在一起，可产生高达每分钟 2.3 升的流速。在另一个例子中，作者打印了超材料 - 具有特殊设计的子结构和性能的结构，可以超越传统材料5.Buchner等人。表明，通过精确调制桁架状超材料的软链节和刚性节点的尺寸，他们可以调整超材料在压缩下的力学响应。
令人兴奋的是，这些不同的例子只用了几种材料就被打印出来了。未来的工作无疑将扩大可以打印的材料范围，从而增加所得结构的功能 - 例如，通过打印纳米材料6.然而，应该注意的是，高分辨率印刷所需的微型喷嘴只能喷射具有较窄范围流体特性的油墨。进一步开发具有定制化学成分的材料将创造出更多具有所需特性的油墨。
尽管这项工作中报告的机械结构代表了多材料集成复杂性的重大进步，但它们仍然需要外部气动泵和电子设备进行运动和传感。Buchner及其同事的机器视觉系统可能有助于降低制造包含电子芯片和喷墨打印电子产品等商用组件的设备的障碍。
它还可能有助于将其他3D打印方式与材料喷射相结合。例如，可以集成挤出粘性聚合物的打印机模块，以实现提供运动能力的组件的联合打印7,8，纳米材料的挤出打印可以实现3D电子器件的共制造9.其他兼容的制造方法也可以集成在一起，例如，电喷雾沉积可用于在表面上添加生物活性分子涂层10,11.与此同时，Buchner等人。展示了一个强大而鼓舞人心的例子，说明机器视觉如何克服现有 3D 打印技术的基本限制，从而实现新的多材料 3D 打印功能。
自然 623， 488-490 （2023）
doi： https://doi.org/10.1038/d41586-023-03420-9
