Мировые новости --> Роботы-принтеры
“Новая архитектура смены фаз” - загадочное название для инженерного проекта. Подзаголовок “Управляемое компьютером строительство изо льда” не слишком проясняет замысел, хотя теперь уже можно догадаться, что под сменой фаз подразумевается заморозка воды. А получать таким способом учёные решили самые разнообразные изделия – от миниатюрных деталей машин до настоящих жилищ.
Профессора Питер Сайджпкес (Pieter Sijpkes) из Школы архитектуры университета Макгилла (лидер данного проекта), Хорхе Анджелес (Jorge Angeles), глава лаборатории робототехнических систем университета, и их коллеги потратили три года на разработку, постройку и отладку необычных систем быстрого прототипирования, названных New Architecture of Phase Change.
Речь идёт о так называемой трёхмерной печати, идущей под управлением компьютера. Мы рассказывали о ней, так же как о необычных её приложениях вроде самовоспроизведения роботов, печати живых органов и производства костей-имплантатов. Создавать объекты при помощи трёхмерного принтера люди научились довольно давно. Но вот неожиданный поворот: теперь фигуры распечатывают изо льда.
По идее, в самых массовых таких системах в качестве “чернил” используют различные полимеры, которые твердеют после распыления (при контакте с воздухом или от воздействия лазера). Канадцы же говорят: почему бы не задействовать обычную воду? Она способна радикально снизить стоимость готовых изделий (пусть работать им суждено либо крайне недолго, либо только на морозе), упростить и ускорить получение нужных деталей.
Идея эта сама по себе не нова. В университете науки и технологии Миссури группа учёных под руководством профессора Мин Лэу (Ming C. Leu) аж с 1999 года ведёт схожий проект — Rapid Freeze Prototyping. Только вот, как оказалось, такой простой материал, как H2O, не означает автоматически простоту технологии. И тут имеется немало подводных камней. Потому канадцы решили взяться за собственный вариант подобной системы.
Система быстрого прототипирования при помощи заморозки воды, построенная в Миссури, и детали, полученные на ней (фотографии Missouri University of Science and Technology).
В качестве основы они использовали пару серийных роботов, которых переделали для выкладывания крошечных капель воды на поверхность рабочего стола или уже растущей детали, находящихся при низкой температуре (-23 °C). Именно “выкладывания”, а не “бросания”: чтобы изделия получались ровными и высокоточными, каплю за каплей следовало аккуратно наносить на предыдущий слой. При этом размер капель не превышает 0,25 миллиметра, а зазор между льдом и соплом робота равен всего 0,15 мм.
Первый робот, превратившийся в аппарат для создания “цифровых ледяных скульптур”, FAH. Изначально он для прототипирования и выпускается, но только управляется с обычными полимерами да смолами. Потому “инструментальную” часть его пришлось полностью заменить. К тому же для надёжной работы аппарата авторы проекта демонтировали всю электронную начинку FAH и вынесли её подальше от зоны заморозки в отдельный ящик. Ввели авторы системы и другие новшества. Так, чтобы вода, поступающая в манипулятор машины, не замёрзла до выпуска через сопла, учёным и инженерам пришлось соорудить подогрев магистралей, удерживающий их температуру при плюс 10 градусах по Цельсию. Слой за слоем такой робот оказался способен выращивать из льда разнообразные вещи, нарисованные в компьютере.
Но главная находка канадцев – способ формирования тонкостенных ледяных деталей с ажурными частями. Чтобы они не ломались раньше времени и не стекали в стороны, пока не замёрзнут, напрашивались некие подпорки, строительные леса. Но как их можно было встроить прямо в растущую ледяную форму, и как потом убрать?
Выход оказался гениально прост. Леса надо делать также из воды. Но не обычной. Канадцы добавили к манипулятору робота второе сопло – для водного раствора хлорида калия. Именно им, словно вторым цветом, водно-ледяной “принтер” и вычерчивает контуры подпорок одновременно с элементами желанной вещицы.
При 20-30 градусах мороза и чистая вода, и рассол замерзают одинаково хорошо. А вот чтобы из получившейся заготовки извлечь окончательное изделие, его следует аккуратно подогреть до минус 4 градусов по Цельсию. Рассол тает и уходит прочь, а деталь из чистого льда – остаётся.