MIT團隊給3D印表機裝上“眼睛”和“大腦”

相比傳統製造，3D 列印製造出來的物品可以更輕、更結實、更複雜。但在改變大多數器件的生產之前，3D 列印首先要克服許多技術上挑戰。

商業上可行的印表機通常要提供高速、高精度和高質量的材料。但目前很少有 3D 印表機能同時滿足上述三種特性，這就限制了其作為製造工具的使用。今天，3D 列印仍局限於製作設計原型和特殊部件的小批量生產。

一家麻省理工學院背景的初創公司 Inkbit，正在通過為 3D 印表機裝上“眼睛”和“大腦”來克服這些限制。

圖丨 Inkbit 製造的第一台使用機器視覺和人工智能的 3D 印表機。（來源：Inkbit）

當前，一些 3D 列印使用的最硬的材料，也同樣是傳統生產工藝中最常使用的。這包括矽樹脂等橡膠類材料和環氧樹脂等高溫材料，通常用於製造絕緣電子產品以及各種消費品、健康產品和工業產品。

這些材料通常難以列印，材料分布不均勻和堵塞噴頭，會讓列印過程一團糟。隨著列印的進行，這些材料也會產生邊緣的收縮或變圓。麻省理工學院電子工程和計算科學副教授 Wojciech Matusi 是 Inkbit 的合夥人，他的計算製造研究組屬於計算科學與人工智能實驗室（CSAIL），對這些問題進行了多年的研究。

在 2015 年，Matusi 團隊就建造了一個相對低成本的、精確的 3D 印表機，它通過機器視覺可以同時列印 10 種材料。這個成果吸引了許多大公司的興趣，希望將生產轉移到 3D 列印上。之後幾年，Matusi 團隊得到了 Deshpande 中心的支持，將他們結合機器視覺和 3D 列印的想法商業化。

Matusik 的研究組使用一個簡單的三維掃描儀來跟蹤機器的工藝。在 Inkbit 的第一台印表機中，創始人希望極大地提升他們機器中“眼睛”的性能。他們確定使用光學相乾斷層掃描（OCT）技術，該儀器使用長波長的光來透過材料表面，並以分辨率達到人類頭髮絲粗細的精度來掃描材料的每一層。

因為 OCT 掃描儀通常隻用於眼科醫生對患者眼睛表層以下組織的檢測，所以唯一可用的掃描儀在掃描 3D 列印部件的每一層時，速度太慢了，所以研究小組咬緊牙關建造出一台全定製的 OCT，它比市場上任何其它儀器都快 100 倍。

在列印並掃描一層時，Inkbit 獨有的機器視覺和機器學習系統可以實時自動糾正錯誤，並實時地主動補償材料多變性引起的翹曲和收縮。該工藝去除了其他一些印表機用來保證精度時使用的輥子和刮刀，來進一步擴大能夠列印的材料範圍，避免了在使用難以列印的材料時出現堵塞情況。

Inkbit 的合夥人兼 CEO Davide Marini 表示：“創立公司的初衷就是賦予 3D 印表機眼睛和大腦”。

這個想法揭開了 Inkbit 3D 印表機的各種應用。這家公司說它能夠比其它的印表機列印得更精確，也能夠列印更多的柔性材料。比如一個產品的內部鑲嵌有電腦芯片或者電子元件，這個機器就能夠圍繞這些嬌貴的元件，準確列印出外面的部分。同時，當物體列印完成後，該機器可以保留其數字備份，保證重複列印時的質量。

圖丨 Inkbit 的 3D 印表機可以大批量生產多材料物品。（來源：Inkbit）

設計這個系統是為了讓用戶在同一台機器上對新的物品進行原型驗證和生產。Inkbit 現有的工業印表機有 16 個列印頭，可用多種材料生產部件，並有一個足夠大的列印模塊，使其每年可生產數十萬個拳頭大小的產品（或少量的大型產品）。該機器非接觸式的噴墨設計意味著，後續產品迭代中，僅僅需要簡單地擴展列印模塊，就能列印更大的物品。

“以前，人們可以用多材料印表機來製作原型，但它們無法真正生產最終的零件。”Matusik 說，並指出 Inkbit 部件的後處理可以完全自動化，“這點是使用其它任何生產方法無法做到的。”

目前，Inkbit 機器所使用的有些列印材料無法從市面上買到，所以公司要研發自己的列印材料來將其產品的性能提升至極限。明年，Inkbit 將研發出在列印前預混兩種材料的專有系統，這將使該公司能夠列印更廣泛的工程級材料。

Inkbit 仍然是一家初創公司。目前它只有一台運行中的產品級印表機。但今年晚些時候，Inkbit 會開始銷售列印好的產品。明年，它會向早期用戶強生公司銷售其印表機。如果 Inkbit 能夠引起醫療設備、消費產品和汽車元件廠商的興趣，它的機器會在接下來幾年內，在這個幾百億美元的市場中扮演領先產品的角色，這個市場包括了牙科矯正器、工業工具和睡眠呼吸暫停面罩等產品。

圖丨 Inkbit 3D 印表機可以生產多種產品。（來源：Inkbit）

“每個人都知道 3D 列印的優勢是巨大的，但大多數人在使用它時遇到了問題。這項技術還未成熟。我們的機器是第一個可以學習材料屬性，並預測其行為的機器。我相信它將改變很多事情，因為它能夠使任何人以非常快的速度，實現從一個點子到一個有用產品的轉變。它為每個人開辟了商機。”Marini 說。

如今，創始人花費大量時間來指導那些以前從未使用過 3D 列印的產品設計團隊。設計師和發明者可能需要一段時間的摸索，才能充分發掘出這台多材料 3D 印表機所提供的可能性。

“這個機器的未來遠遠超過現在我們所想的”，Matusik 說，“我對看見人們用這台機器來生產最終產品非常著迷”。

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參考：

https://news.mit.edu/2019/inkbit-3d-printer-0604