在增材制造领域，麻省理工学院、苏黎世联邦理工学院和麻省理工学院衍生公司Inkbit研究人员的合作努力取得了突破性的进步。他们开发了一种创新的3D打印系统，采用视觉控制打印喷射（ vision-controlled jetting，VCJ），彻底改变了进行3D打印的方式。这项技术超越了传统边界，能够以前所未有的精度和效率创建复杂的多材料结构。

简介

    3D打印是现代制造的基石，长期以来一直受到材料兼容性、分辨率和速度的限制。新的VCJ方法通过将高速3D视觉系统与复杂的打印硬件相结合来解决这些挑战，为复杂、功能性系统和机器人的制造开辟了新的前沿。

视觉控制的喷射技术

    这一技术飞跃的核心是VCJ的高速3D视觉系统。该系统利用四个高帧率相机和两个激光源，快速连续地扫描打印表面，捕捉详细的图像。然后，这些在不到一秒钟内转换为高分辨率深度图，允许对打印过程进行实时调整。

    这个视觉系统与打印硬件的集成至关重要。当打印机层层沉积材料时，视觉系统监控每个沉积动作，将数据反馈给控制软件。此反馈循环使系统能够实时调整打印参数，确保准确性和一致性。

材料兼容性和精度

    VCJ的一个显著优势是它能够处理更广泛的材料，包括缓慢固化聚合物。这是通过消除对机械平面化（mechanical planarization）的需求来实现的，这是传统3D打印中常见的挑战，通常会导致材料变形。VCJ系统可以调整沉积的材料量，创建均匀的层和精确的多材料界面，而无需机械平滑。

应用前景

    VCJ的潜在应用是巨大而具有变革性的。以下是一些值得注意的例子：

1.复杂机器人系统：VCJ技术有助于创建具有集成通道和腔的复杂机器人组件，从而导致更先进、集成的机器人手、四肢或整个机器人。

2.生物医学设备和假肢：定制的假肢或具有内部结构的生物医学设备现在可以精确打印，包括带有集成电线和传感器或柔软柔性关节的假肢。

3.多材料功能部件：在汽车或航空航天行业，零件通常需要刚性和减震相结合。VCJ能够将不同材料无缝集成到单个组件中，满足这些不同的要求。

4.定制医疗植入物和组织工程：VCJ是创建组织工程定制医疗植入物或支架的理想选择，为单个患者量身定制的植入物或为最佳细胞生长而设计的支架。

5.柔性电子产品和可穿戴设备：该技术为柔性电子产品开辟了可能性，包括直接在柔性材料中打印的嵌入式传感器和电路的可穿戴设备。

6.航空航天组件：具有集成内部结构（如冷却通道）的轻质、复杂的航空航天组件可以更有效地生产，从而导致更轻的飞机部件。

7.高级超材料：可以为从消费品到国防等应用创建具有新特性的超材料，如可变刚度或密度。

挑战和未来展望

    尽管其能力令人印象深刻，但VCJ仍面临挑战。该技术目前受到紫外线固化材料粘度相对较低的限制，在暴露于户外风化时会导致潜在的翘曲和变形。此外，来自不同材料化学品的界面并不总是能够很好地粘附，因此需要进一步调整化学成分，虽然这种打印机的高分辨率允许打印多材料界面机械互锁的功能。另一个限制是只有四个打印头的可用性，这限制了可以在一个过程中进行打印的设计的复杂性。

    总之，这项开创性的视觉控制的3D打印技术标志着添加剂制造的范式转变。它为快速原型、创新设计和开发各个领域的复杂系统开辟了新的途径。随着正在进行的研究和开发，这项技术有望克服其目前的局限性，并重新定义3D打印能力的边界。