南科大、浙大、新加坡院校联手开发用于微型软体机器人执行器的3D打印工艺流程

来源:3D打印商情    关键词:3D打印,3D打印技术,3D打印运用,    发布时间:2019-10-08

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软体机器人是一类由柔性材料制成的机器人系统,能够安全地适应复杂的环境。最近软体机器人领域快速增长,出现了各种各样的设计,涵盖从米到亚微米的多种尺寸的机器人。

特别是,毫米级的小型软体机器人具有实际意义,因为它们可以设计为仅由气动压力驱动的微型致动器的组合。它们也非常适合在狭窄区域中导航和操纵小物体。

然而,将软体气动机器人缩小到毫米,会导致更精细的特性减少一个数量级以上。这种机器人的设计复杂性在用传统工艺(例如模塑和软光刻)制造时,需要非常精细。虽然数字光处理(DLP)等新兴的3D打印技术具有很高的理论分辨率,但在不造成堵塞的情况下处理微尺度的空洞和通道仍然是一项具有挑战性的工作。实际上,3D打印微型软体气动机器人的成功例子很罕见。

最近,由南方科技大学、浙江大学以及新加坡科技与设计大学(SUTD)的研究人员组成的研究小组,提出了一个指导DLP 3D打印的通用工艺流程,用于3D打印尺寸为2-15 mm,特征尺寸为150-350μm(见下图)的软体机器人的微型气动执行器。他们的研究成果近期发表在《Advanced Materials Technologies》上。

研究人员提出了一种通用的工艺流程,用于指导小于硬币的微型软体气动执行器的3D打印。带有集成微型抓手的柔软碎屑清除器可以实现在狭窄空间内的导航以及在难以到达位置收集小物体。

“我们利用DLP 3D打印的高效率和分辨率来制造微型软体机器人执行器。”研究项目首席研究员南方科技大学副教授葛锜说:“为了确保打印产品的可靠打印保真度和机械性能,我们引入了一种用于系统有效地定制材料配方和关键工艺参数的新模式。”

在DLP 3D打印中,通常将吸光剂加入到聚合物溶液中以增强横向和纵向的打印分辨率。与此同时,剂量过量会导致材料弹性迅速退化,这对软体机器人维持大变形至关重要。

“为了实现合理的权衡,我们首先选择了一种在投射紫外光波长下具有良好吸光度的吸光剂,并根据机械性能测试确定了合适的材料配方。接着,我们对固化深度和XY保真度进行了表征,以确定曝光时间和切片层厚度的合适组合。”来自新加坡科技与设计大学的共同第一作者张元芳解释说。

“通过遵循这一工艺流程,我们能够在自建的多材料3D打印系统上生产各种结构和变形模式的微型软体气动机器人执行器,它们均小于一枚硬币。该方法应该与商业立体光刻(SLA)或DLP 3D打印机兼容,不需要进行硬件修改。”葛锜教授说。

南方科技大学副教授葛锜

为了举例说明潜在的应用,研究人员还设计了一种柔软的碎屑清除器,包括一个连续作业机械手和一个3D打印的微型软体气动夹具。它可以在狭窄的空间中导航,并在难以到达的位置收集小物体。

他们开发的工艺为具有复杂几何形状和复杂多材料设计的3D打印微型软体机器人铺平了道路。将打印微型软体气动执行器集成到机器人系统中为潜在应用提供了机会,例如喷气发动机维护和微创手术等。