20.11.2023

Roboter aus dem 3D-Drucker

Neue Laserscanning-​Technik ermöglicht 3D-Druck von elastischen Kunststoffen.

Der 3D-Druck macht rasante Fortschritte, und die Palette an Materialien, die dafür verwendet werden können, hat einen entscheidenden Zuwachs bekommen. Während die Techno­logie bisher auf schnell härtende Kunststoffe beschränkt war, können dank einer Weiter­entwicklung neu auch langsam härtende Kunststoffe verwendet werden. Und diese haben entscheidende Vorteile: Sie haben bessere elastische Eigenschaften, sind dauerhafter und robuster. Möglich macht den Einsatz solcher Polymere eine neue Technologie von Forschenden der ETH Zürich und eines amerikanischen Start-ups.

Abb.:  Diese Roboterhand aus unterschiedlich festen und elastischen Polymeren...
Abb.: Diese Roboterhand aus unterschiedlich festen und elastischen Polymeren wurde in einem Durchgang im 3D-​Druck hergestellt.
Quelle: T. Buchner, ETHZ

Damit können die Forschenden nun auch komplexe widerstands­fähigere Roboter aus unterschiedlichen, qualitativ hoch­wertigen Materialien im 3D-Druck herstellen. Und dies in einem einzigen Durchgang. Zudem lassen sich damit problemlos weiche, elastische und feste Materialien kombinieren. Auch beliebige Teile mit Hohlräumen und filigrane Strukturen können die Forschenden damit erstellen. Mit der neuen Technologie gelang es erstmals, eine Roboterhand mit Knochen, Bändern und Sehnen aus verschiedenen Polymeren in einem Durchgang zu drucken. 

„Mit den schnell härtenden Polyacrylaten, die wir bisher beim 3D-Druck verwendeten, hätten wir diese Hand nicht herstellen können“, erklärt Thomas Buchner, Doktorand in der Robotik-Gruppe. „Wir verwenden neu langsam härtende Thiolen-Polymere. Diese haben sehr gute elastische Eigenschaften und springen nach dem Verbiegen viel schneller in den Ausgangs­zustand zurück als Polyacrylate.“ Daher eignen sich die Thiolen-Polymere hervorragend, um die elastischen Bänder der Roboterhand herzustellen. Außerdem lässt sich die Steifigkeit von Thiolen sehr fein einstellen und somit den Erforder­nissen von Soft-Robotern anpassen. „Roboter aus weichen Materialien wie die von uns entwickelte Hand haben Vorteile gegenüber herkömmlichen Robotern aus Metall: Weil sie weich sind, sinkt die Verletzungsgefahr, wenn sie mit Menschen zusammenarbeiten, und sie eignen sich besser für den Umgang mit zerbrechlichen Gütern“, sagt Robert Katzschmann.

3D-Drucker stellen Gegenstände generell Schicht für Schicht her: Düsen tragen an jeder Stelle das gewünschte Material in dickflüssiger Form auf. Eine UV-Lampe härtet jede Schicht sogleich. Bisherige Verfahren haben eine Vorrichtung, die Unebenheiten nach jedem Härtungs­schritt abschabt. Das funktioniert nur mit schnell härtenden Polyacrylaten. Langsam härtende Polymere wie die Thiolene und Epoxide würden eine Abschab­vorrichtung verkleben. Damit die Forschenden auch langsam härtende Polymere verwenden konnten, entwickelten sie den 3D-Druck weiter: Ein 3D-Laser-Scanner prüft jede gedruckte Schicht sofort auf allfällige Unebenheiten. „Ein Feedback-Mechanismus gleicht diese Unebenheiten beim Druck der nächsten Schicht aus, indem er in Echtzeit punktgenau nötige Anpassungen der zu druckenden Material­mengen berechnet“, erklärt Wojciech Matusik vom Massa­chusetts Institute of Technology MIT. Die neue Technologie ebnet Unebenheiten nicht mehr aus, sondern berücksichtigt sie beim Druck der nächsten Schicht einfach mit.

Für die Entwicklung der neuen Druck­technologie war die Firma Inkbit, ein Spin-off des MIT verantwortlich. Die Forschenden der ETH Zürich entwickelten mehrere Roboter-Anwendungen und halfen, die Druck­technologie für die Verwendung der langsam härtenden Polymere zu optimieren. An der ETH Zürich wird die Gruppe Robert Katzschmann die Technologie nutzen, um weitere Möglich­keiten auszuloten, noch ausgefeiltere Strukturen zu entwerfen und zusätzliche Anwendungen zu entwickeln. Die Firma Inkbit plant, mit der neuen Technologie Kunden einen 3D-Druck-Service anzubieten und auch Drucker zu verkaufen.

ETHZ / JOL

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