Ein 3D-Drucker mit Bildverarbeitung und künstlicher Intelligenz

Das MIT-Startup Inkbit überwindet die traditionellen Einschränkungen des 3D-Drucks, indem es seinen Maschinen „Augen und Verstand“ verleiht.

Im 3D-Druck hergestellte Objekte können leichter, stabiler und komplexer sein als solche, die mit herkömmlichen Herstellungsmethoden hergestellt wurden. Es müssen jedoch einige technische Herausforderungen bewältigt werden, bevor der 3D-Druck die Produktion der meisten Geräte transformiert.

Im Handel erhältliche Drucker bieten im Allgemeinen nur Materialien mit hoher Geschwindigkeit, hoher Präzision oder hoher Qualität an. Selten bieten sie alle drei an, was ihre Nützlichkeit als Herstellungswerkzeug einschränkt. Heutzutage wird der 3D-Druck hauptsächlich für das Prototyping und die Kleinserienfertigung von Spezialteilen verwendet.

Jetzt arbeitet Inkbit, ein Start-up von MIT, daran, alle Vorteile des 3D-Drucks auf eine Vielzahl von Produkten zu übertragen, die noch nie zuvor gedruckt wurden – und dies bei Volumina, die die Produktionsprozesse in einem Unternehmen radikal stören würden Vielzahl von Branchen.

Das Unternehmen erreicht dies, indem es seinen Multimaterial-Inkjet-3D-Drucker mit Machine-Vision- und Machine-Learning-Systemen kombiniert. Das Bildverarbeitungssystem scannt umfassend jede Schicht des Objekts, während es gedruckt wird, um Fehler in Echtzeit zu korrigieren, während das maschinelle Lernsystem diese Informationen verwendet, um das Verwindungsverhalten von Materialien vorherzusagen und genauere Endprodukte herzustellen.

“Das Unternehmen entstand aus der Idee heraus, einen 3D-Drucker mit Augen und Verstand auszustatten”, sagt Davide Marini, Mitbegründer und CEO von Inkbit, PhD ’03.

Diese Idee eröffnet eine Reihe von Anwendungsmöglichkeiten für die Inkbit-Maschine. Das Unternehmen gibt an, flexiblere Materialien viel genauer drucken zu können als andere Drucker. Wenn ein Objekt, einschließlich eines Computerchips oder einer anderen elektronischen Komponente, auf dem Druckbereich platziert wird, kann das Gerät präzise Materialien darum herum drucken. Und wenn ein Objekt fertig ist, speichert die Maschine eine digitale Kopie, die zur Qualitätssicherung verwendet werden kann.

Inkbit ist immer noch ein junges Unternehmen. Derzeit ist ein Drucker für die Produktion in Betrieb. Aber es wird später in diesem Jahr mit dem Verkauf von Druckerzeugnissen beginnen, beginnend mit einem Pilotprojekt bei Johnson und Johnson, bevor es im nächsten Jahr seine Drucker verkauft. Wenn Inkbit das aktuelle Interesse von Unternehmen nutzen kann, die medizinische Geräte, Konsumgüter und Automobilkomponenten vertreiben, werden seine Maschinen in den nächsten Jahren eine führende Rolle in einer Vielzahl von Milliarden-Dollar-Märkten spielen, von Dental-Alignern bis hin zu industriellen Werkzeug- und Schlafapnoe-Masken.

„Jeder weiß, dass die Vorteile des 3D-Drucks enorm sind“, sagt Marini. „Aber die meisten Menschen haben Probleme, es zu übernehmen. Die Technologie ist noch nicht da. Unsere Maschine ist die erste, die die Eigenschaften eines Materials lernt und dessen Verhalten vorhersagt. Ich glaube, es wird transformierend sein, weil es jedem ermöglichen wird, extrem schnell von einer Idee zu einem verwendbaren Produkt zu gelangen. Es eröffnet Geschäftsmöglichkeiten für alle.“

Im Jahr 2015 gehörten die Mitbegründer zu einer Gruppe von Forschern, die einen relativ kostengünstigen, präzisen 3D-Drucker entwickelten, mit dem mit Hilfe der Bildverarbeitung 10 Materialien gleichzeitig gedruckt werden konnten. Das Kunststück erregte die Aufmerksamkeit vieler großer Unternehmen, die daran interessiert waren, die Produktion auf 3D-Druck umzustellen, und im folgenden Jahr erhielten die vier Ingenieure Unterstützung vom Deshpande Center, um ihre Idee, Machine Vision mit 3D-Druck zu verbinden, zu vermarkten.

Am MIT verwendete die Matusik-Forschungsgruppe einen einfachen 3D-Scanner, um den Fortschritt der Maschine zu verfolgen. Für den ersten Inkbit-Drucker wollten die Gründer die „Augen“ ihrer Maschine dramatisch verbessern. Sie entschieden sich für einen optischen Kohärenztomographen (OCT), der mit langen Lichtwellenlängen die Oberfläche von Materialien durchleuchtet und Materialschichten mit einer Auflösung abtastet, die dem Bruchteil der Breite eines menschlichen Haares entspricht.

Das System ist so konzipiert, dass Benutzer auf derselben Maschine Prototypen erstellen und neue Objekte herstellen können. Der derzeitige Industriedrucker von Inkbit verfügt über 16 Druckköpfe zur Herstellung von Teilen aus mehreren Materialien und einen Druckblock, der groß genug ist, um jedes Jahr Hunderttausende von Produkten in Faustgröße (oder eine kleinere Anzahl größerer Produkte) zu produzieren. Durch das berührungslose Inkjet-Design des Geräts wird das Vergrößern späterer Iterationen so einfach wie das Erweitern des Druckblocks.

„Früher konnten die Leute Prototypen mit Multimaterial-Druckern herstellen, aber sie konnten die endgültigen Teile nicht wirklich herstellen“, sagt Matusik und merkt an, dass die Nachbearbeitung der Inkbit-Teile vollständig automatisiert werden kann. “Mit anderen Fertigungsmethoden ist dies nicht möglich.”

Die neuartigen Fähigkeiten der Inkbit-Maschine führen dazu, dass einige der Materialien, mit denen die Gründer drucken möchten, nicht verfügbar sind. Daher hat das Unternehmen einige eigene Chemikalien entwickelt, um die Leistung ihrer Produkte an ihre Grenzen zu treiben. Ein proprietäres System zum Mischen zweier Materialien kurz vor dem Drucken wird im nächsten Jahr auf den Inkbit-Druckern verfügbar sein. Mit dem zweiteiligen Chemiemischsystem kann das Unternehmen ein breiteres Spektrum an technischen Materialien drucken.

Johnson and Johnson, ein strategischer Partner von Inkbit, erwirbt derzeit einen der ersten Drucker. Der MIT Startup Exchange Accelerator (STEX25) hat auch maßgeblich dazu beigetragen, Inkbit bei führenden Unternehmen wie Amgen, Asics, BAE Systems, Bosch, Chanel, Medtronic, Novartis und anderen bekannt zu machen.

Heute verbringen die Gründer viel Zeit damit, Produktdesign-Teams auszubilden, die ihre Produkte noch nie in 3D drucken konnten – geschweige denn elektronische Komponenten in 3D-gedruckte Teile integrieren.

Es kann eine Weile dauern, bis Designer und Erfinder die Möglichkeiten des integrierten 3D-Multimaterialdrucks voll ausschöpfen können. Aber im Moment arbeitet Inkbit daran, dass die einfallsreichsten Leute in Zukunft eine Maschine haben, mit der sie arbeiten können.

“Einiges davon ist seiner Zeit so weit voraus”, sagt Matusik. “Ich denke, es wird wirklich faszinierend zu sehen sein, wie die Leute es für Endprodukte verwenden werden.”