3D打印，最新Nature！

3D打印的增材制造特性为优化打印结构提供了机会，通过在微观层面上对材料的特性进行编程或调节，例如，通过调整加工条件或集成其他材料。在过去的几年里，机器视觉和人工智能还被纳入到3D打印流程中，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打印工艺，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成百上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中，沉积的树脂在用紫外线照射时会固化，因此可以逐层构建3D物体。

材料喷射的一个局限性是，由于可变流速引起的液滴体积的内在变化、来自单个喷嘴的喷射液滴之间的干扰以及固化的液滴的收缩，每个打印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打印层中的不规则性叠加，这可能导致最终零件出现缺陷并最终打印失败。因此，需要一种称为机械平坦化的过程，在该过程中，刮刀或滚筒在打印下一层之前将打印特征平整到其预期厚度。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特性的聚合物的使用。

机器视觉如何防止3D打印失败：a.材料喷射的3D打印过程中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。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间隙；c.这会产生一个光滑的表面，可以在该表面上打印下一层。

为了解决这个问题，苏黎世联邦理工学院和美国Inkbit公司合作，开发了一种材料喷射3D打印机，该打印机集成了由四个摄像头和两个激光源组成的机器视觉系统，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（体积低至 64μm×32μm×8μm）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，但作者定制的系统扫描速度比此前使用的系统快660 倍，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偏差。

这种反馈系统消除了对机械平坦化的需要，允许使用原本与材料喷射不相容的树脂。作者证明了他们的平台可以打印某些类型的工程级聚合物。此外，该工艺允许使用易去除的支撑材料（如蜡，只需要溶解），这是生产复杂特征时所需要的。令人印象深刻的是，结构复杂的多材料结构可以实现高分辨率（体素尺寸为32μm×64μm× 20μm;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（24×109每小时体素）打印，与目前市售的喷墨3D打印机相当。

作为概念证明，研究人员3D打印了由刚性承重芯和柔软可弯曲外壳组成的肌腱驱动手。这种结构可以用气动驱动，以响应施加在指尖的压力来抓取物体。他们还证明，手可以响应感知到的压力而做出抓握动作。

3D打印的机械手

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。

3D打印后可工作的抓取机器人