Additive Fertigung Soft-Roboter aus dem 3D-Drucker

Anbieter zum Thema

Harvard University

Maxon Motor GmbH

Heraeus AMLOY Technologies GmbH

Bechtle PLM Deutschland GmbH

In der Robotik wird die additive Fertigung zunehmend geschätzt, um flexible, maßgeschneiderte und leistungsfähigere Geräte zu entwickeln. An der Harvard-Universität hat ein Team von Forschern die 3D-Drucktechnologie für flexible Roboter untersucht, die in der Lage sind, sich zu biegen und zu verformen, indem sie mit Luft befüllt werden. 

Weiche Roboter, die aus flexiblen, biokompatiblen Materialien hergestellt sind, sind in Branchen von der Gesundheitsversorgung bis hin zur Fertigung stark nachgefragt. Doch die präzise Gestaltung und Steuerung solcher Roboter für spezifische Zwecke ist eine ständige Herausforderung. Was wäre, wenn man einen weichen Roboter mit vorhersehbaren Formveränderungsfähigkeiten 3D-drucken könnte, die bereits eingebaut sind?
Forscher der Harvard-Universität haben gezeigt, dass dies möglich ist. Eine Studie in Advanced Materials beschreibt eine neue Fertigungsmethode zum Drucken robotischer Geräte, die lange Filamente mit genau platzierten hohlen Kanälen aufweisen. Wenn diese mit Luft gefüllt werden, ermöglichen die Kanäle dem Gerät, sich auf vorherbestimmte Weise zu biegen und zu deformieren.

Buchtipp: Additive Fertigung

Das Buch "Additive Fertigung" beschreibt Grundlagen und praxisorientierte Methoden für den Einsatz der additiven Fertigung in der Industrie und unterstützt Konstrukteure und Entwickler dabei, additive Verfahren erfolgreich in ihren Unternehmen zu implementieren. 


 

Mehr erfahren bei Vogel Fachbuch

Der Fortschritt wurde von dem Doktoranden Jackson Wilt und der ehemaligen Postdoktorandin Natalie Larson im Labor von Jennifer Lewis, der Hansjorg Wyss-Professorin für biologisch inspirierte Ingenieurwissenschaften an der John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), geleitet. Die Methode kombiniert mehrere von Harvard entwickelte 3D-Drucktechniken und umgeht traditionelle Güsse und Formen, die normalerweise zur Herstellung weicher Roboter verwendet werden. „Wir verwenden zwei Materialien aus einem einzigen Ausgang, das gedreht werden kann, um die Richtung zu programmieren, in die der Roboter sich beim Aufblasen biegt“, sagte Wilt. „Unsere Ziele stimmen damit überein, weiche, biologisch inspirierte Roboter für verschiedene Anwendungen zu schaffen.“

Rotational Multimaterial 3D-Druck

Der neue Ansatz basiert auf einer Innovation des Lewis-Labors, dem Rotational Multimaterial 3D-Druck, bei dem eine Düse es ermöglicht, mehr als ein Material gleichzeitig zu drucken. Während die Maschine sich dreht und umorientiert, extrudiert sie Tinte in anpassbaren Mustern. Das Labor hat diesen Typ des 3D-Drucks verwendet, um weiche, helikale Strukturen herzustellen, die als künstliche Muskeln und andere Objekte fungieren.
Mit diesem allgemeinen Ansatz haben die Forscher Filamente aus einer Polyurethan-Außenschale und einem inneren Kanal hergestellt, der aus einem Polymer besteht, das häufig in Haargelen vorkommt und als Poloxamer bezeichnet wird. Die Filamente konnten in Linien sowie in flachen und erhöhten Mustern angeordnet werden. Durch präzise Kontrolle des Designs der Druckdüse, der Drehgeschwindigkeit und der Materialflussrate programmierten die Forscher die Ausrichtung, Form und Größe jedes inneren Kanals.

Einfache Herstellung, komplexe Geräte

Sobald die Außenschale erstarrt war, spülten die Forscher den haargelähnlichen inneren Kanal weg. Das Ergebnis: Rohre mit hohlen Kanälen, die unter Druck gesetzt werden können, um sich in verschiedene Richtungen zu biegen und die Grundlage für weiche Geräte zu bilden, die sich ausdehnen, zusammenziehen und greifen können. 
Die Forschung eröffnet neue Möglichkeiten für die einfache Herstellung komplexer Geräte. Sie bietet eine Alternative zur herkömmlichen Herstellungsmethode weicher Roboter, die typischerweise das Gießen eines weichen Materials in eine Form, das Muster von pneumatischen Kanälen auf der Oberfläche und das Einkapseln der Kanäle in eine weitere Schicht umfasst. „In dieser Arbeit haben wir keine Form. Wir drucken die Strukturen, programmieren sie schnell und können die Aktuation zügig anpassen“, sagte Wilt.
Sie demonstrierten ihre neue Technik, indem sie ein Blumenmuster in einem kontinuierlichen, labyrinthartigen Pfad spiralförmig druckten. Außerdem druckten sie einen fünfstelligen Griff mit „Knöcheln“, die sich biegen. Laut Wilt zeigen ihre Ergebnisse das Potenzial, diese Art der schnellen Fertigung für Anwendungen von chirurgischer Robotik bis hin zu Hilfsgeräten für Menschen zu nutzen.