Objekt gjorda med 3D-utskrift kan vara lättare, starkare, och mer komplexa än de som produceras genom traditionella tillverkningsmetoder. Men flera tekniska utmaningar måste övervinnas innan 3D-utskrift omvandlar produktionen av de flesta enheter.

Kommersiellt tillgängliga skrivare erbjuder i allmänhet bara hög hastighet, hög precision, eller material av hög kvalitet. Sällan erbjuder de alla tre, begränsa deras användbarhet som ett tillverkningsverktyg. I dag, 3D-utskrift används främst för prototyper och lågvolymsproduktion av specialiserade delar.

Nu Inkbit, en startup från MIT, arbetar med att föra ut alla fördelar med 3D-utskrift till en mängd produkter som aldrig har skrivits ut tidigare – och det är siktet inställt på att göra det i volymer som radikalt skulle störa produktionsprocesser i en mängd olika industrier.

Företaget åstadkommer detta genom att para ihop sin multimaterial bläckstråleskrivare 3-D med maskinseende och maskininlärningssystem. Visionssystemet skannar grundligt varje lager av objektet när det skrivs ut för att korrigera fel i realtid, medan maskininlärningssystemet använder den informationen för att förutsäga varvningsbeteendet hos material och göra mer exakta slutprodukter.

"Företaget föddes ur tanken på att förse en 3D-skrivare med ögon och hjärnor, " säger Inkbits medgrundare och VD Davide Marini Ph.D. '03.

Den idén låser upp en rad applikationer för Inkbits maskin. Företaget säger att det kan skriva ut mer flexibla material mycket mer exakt än andra skrivare. Om ett föremål, inklusive ett datorchip eller annan elektronisk komponent, placeras på utskriftsområdet, maskinen kan exakt skriva ut material runt den. Och när ett objekt är färdigt, maskinen har en digital kopia som kan användas för kvalitetssäkring.

Inkbit är fortfarande ett företag i tidigt skede. Den har för närvarande en operativ skrivare av produktionskvalitet. Men det kommer att börja sälja tryckta produkter senare i år, börjar med en pilot med Johnson och Johnson, innan de säljer sina skrivare nästa år. Om Inkbit kan utnyttja nuvarande intresse från företag som säljer medicintekniska produkter, konsumentprodukter, och fordonskomponenter, dess maskiner kommer att spela en ledande produktionsroll på en mängd marknader med flera miljarder dollar under de närmaste åren, från dentala aligners till industriella verktyg och sömnapnémasker.

"Alla vet att fördelarna med 3D-utskrift är enorma, " säger Marini. "Men de flesta människor upplever problem med att anta det. Tekniken är helt enkelt inte där än. Vår maskin är den första som kan lära sig egenskaperna hos ett material och förutsäga dess beteende. Jag tror att det kommer att förändras, eftersom det gör det möjligt för alla att gå från en idé till en användbar produkt extremt snabbt. Det öppnar affärsmöjligheter för alla."

En skrivare med potential

Några av de svåraste materialen att skriva ut idag är också de vanligaste i dagens tillverkningsprocesser. Det inkluderar gummiliknande material som silikon, och högtemperaturmaterial som epoxi, som ofta används för att isolera elektronik och i en mängd olika konsumenter, hälsa, och industriprodukter.

Dessa material är vanligtvis svåra att skriva ut, leder till ojämn distribution och fel i utskriftsprocessen som tilltäppning. De tenderar också att krympa eller runda i kanterna med tiden. Inkbits medgrundare Wojciech Matusik, docent i elektroteknik och datavetenskap, Javier Ramos BS '12 SM '14, Wenshou Wang, och Kiril Vidimče SM '14 har arbetat med dessa problem i flera år i Matusiks Computational Fabrications Group inom Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL).

2015, medgrundarna var bland en grupp forskare som skapade en relativt låg kostnad, exakt 3D-skrivare som kan skriva ut rekord 10 material samtidigt genom att utnyttja maskinsyn. Bragden uppmärksammades av många stora företag som är intresserade av att ställa om produktionen till 3D-utskrift, och året därpå fick de fyra ingenjörerna stöd från Deshpande Center för att kommersialisera sin idé att förena maskinseende med 3D-utskrift.

På MIT, Matusiks forskargrupp använde en enkel 3D-skanner för att spåra maskinens framsteg. För Inkbits första skrivare, grundarna ville dramatiskt förbättra "ögonen" på sin maskin. De bestämde sig för att använda en optisk koherens tomografi (OCT) skanner, som använder långa våglängder av ljus för att se genom ytan av material och skanna lager av material med en upplösning som är bråkdelen av bredden av ett människohår.

Eftersom OCT -skannrar traditionellt endast används av ögonläkare för att undersöka under ytan av patienternas ögon, de enda tillgängliga var alldeles för långsamma för att skanna varje lager av en 3-D-utskriven del – så Inkbits team "bitte i kulan, "som Marini beskriver det, och byggde en anpassad OCT -skanner som han säger är 100 gånger snabbare än något annat på marknaden idag.

När ett lager skrivs ut och skannas, företagets egenutvecklade maskinseende och maskininlärningssystem korrigerar automatiskt eventuella fel i realtid och kompenserar proaktivt för vek- och krympningsbeteendet hos ett ombytligt material. Dessa processer utökar ytterligare utbudet av material som företaget kan skriva ut med genom att ta bort rullarna och skrapor som används av vissa andra skrivare för att säkerställa precision, som tenderar att fastna när de används med material som är svårt att skriva ut.

Systemet är designat för att tillåta användare att prototyper och tillverka nya objekt på samma maskin. Inkbits nuvarande industriella skrivare har 16 skrivhuvuden för att skapa multimaterialdelar och ett tryckblock som är tillräckligt stort för att producera hundratusentals näve-stora produkter varje år (eller mindre antal större produkter). Maskinens beröringsfria bläckstråledesign innebär att det blir lika enkelt att utöka storleken på senare iterationer som att utöka utskriftsblocket.

"Innan, människor kunde göra prototyper med multimaterial skrivare, men de kunde inte riktigt tillverka slutdelar, " Matusik säger, noterar att efterbehandlingen av Inkbits delar kan automatiseras helt. "Detta är något som inte är möjligt med några andra tillverkningsmetoder."

De nya funktionerna hos Inkbits maskin gör att en del av materialen som grundarna vill skriva ut med inte är tillgängliga, så företaget har skapat några av sina egna kemier för att pressa deras produkters prestanda till det yttersta. Ett eget system för att blanda två material precis innan utskrift kommer att finnas tillgängligt på skrivarna Inkbit levererar nästa år. Det tvådelade blandningssystemet för kemi gör det möjligt för företaget att skriva ut ett bredare utbud av material av teknisk kvalitet.

Johnson och Johnson, en strategisk partner för Inkbit, håller på att skaffa en av de första skrivarna. MIT Startup Exchange Accelerator (STEX25) har också varit avgörande för att exponera Inkbit för ledande företag som Amgen, Asics, BAE Systems, Bosch, Chanel, Lockheed Martin, Medtronic, Novartis, och andra.

I dag, grundarna lägger mycket av sin tid på att utbilda produktdesignteam som aldrig har kunnat 3D-skriva ut sina produkter förut-än mindre införliva elektroniska komponenter i 3D-tryckta delar.

Det kan ta ett tag innan designers och uppfinnare drar full nytta av möjligheterna som öppnas upp av integrerade, multimateriell 3D-utskrift. Men för nu, Inkbit arbetar för att säkerställa att, när den framtiden kommer, de mest fantasifulla människorna kommer att ha en maskin att arbeta med.

"En del av detta är så långt före sin tid, " säger Matusik. "Jag tror att det kommer att bli riktigt fascinerande att se hur folk kommer att använda det för slutprodukter."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.