ETH: Neue 3D-Drucktechnik druckt Roboterhand mit Knochen und Sehnen
Ganze Robotersysteme in einem Arbeitsgang auszudrucken, ermöglicht eine neue Technik, die die ETH Zürich zusammen mit der US-Firma Inkbit entwickelt hat.
(Bild: Thomas Buchner / ETH Zürich)
Wissenschaftler der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH Zürich) haben den 3D-Druck mit dem US-Start-up Inkbit auf eine neue Stufe gehoben und die Verwendung von Druckmaterialien dadurch erheblich erweitert. Mithilfe der neuen Technik konnten die Forscher eine komplette Roboterhand in einem Rutsch ausdrucken – inklusive Knochen, Sehnen und Bändern. Möglich war das auch, weil verschiedene Druckmaterialien kombiniert wurden.
3D-Drucker konnten bisher lediglich schnell aushärtende Kunststoffe als Druckmaterial verwenden. Die ETH Zürich hat nun zusammen mit Inkbit eine Technik entwickelt, mit der auch verschiedene andere Materialien in einem Arbeitsgang verarbeitet und ausgedruckt werden können. Darunter fallen etwa weiches, elastisches sowie starres Material, die kombiniert werden können. Die aufwendige Montage einzeln ausgedruckter Teile aus verschiedenem Material mit unterschiedlichen Eigenschaften kann so entfallen.
Mit dieser 3D-Drucktechnik lassen sich komplexere und langlebigere Komponenten für Roboter herstellen, schreiben die Wissenschaftler in der Studie "Vision-controlled jetting for composite systems and robots", die in Nature veröffentlicht ist. Demnach ist es auch möglich, mithilfe der Technik filigrane Strukturen und Teile mit Hohlräumen zu produzieren.
Softrobotersysteme in einem Rutsch drucken
Als ein Beispiel druckten die Forscher eine Roboterhand in einem Arbeitsgang aus unterschiedlichen Polymeren aus. Die Hand umfasst harte Knochen sowie weiche, dehnbare Sehnen und Bänder. Die Hand konnte direkt an Motoren angeschlossen und verwendet werden. Ein Zusammenbau war nicht nötig. Mit der 3D-Drucktechnik können komplette Softroboter ausgedruckt werden.
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"Mit den schnell aushärtenden Polyacrylaten, die wir bisher im 3D-Druck verwendet haben, hätten wir diese Hand nicht herstellen können", erklärt Thomas Buchner, Doktorand in der Gruppe von ETH-Robotikprofessor Robert Katzschmann.
Buchner erklärt, dass die Wissenschaftler neue, langsam aushärtende Thiolen-Polymere verwendet haben, die "sehr gute elastische Eigenschaften" aufweisen und die zudem UV- und feuchtigkeitsbeständig sind. Sie würden nach dem Verbiegen auch schneller in ihren Ausgangszustand zurückspringen, als es Polyacrylate tun. Die Thiolen-Polymere seien deshalb besonders geeignet, um elastische Bänder für eine Roboterhand zu erstellen. Dabei helfe es auch, dass sich die Festigkeit der Thiolen-Polymere sehr genau einstellen lässt. Das Material kann so auf die gewünschte Eigenschaft für den Bau eines Softroboters abgestimmt werden.
3D-Drucktechnik von Inkbit
Herkömmliche 3D-Drucktechnik trägt das Material schichtweise in flüssiger Form auf. Das Material wird dabei mit einer UV-Lampe ausgehärtet. Danach wird die Schicht nach jedem einzelnen Härtungsschritt mit einer dafür vorgesehenen Vorrichtung abgeschabt. Dieses Vorgehen funktioniert allerdings nur mit schnell aushärtenden Polyacrylaten, damit danach die nächste Schicht sauber aufgetragen werden kann. Thiolene und Epoxide, die langsamer aushärten, würden die Vorrichtung verkleben, schreiben die Forschenden.
Die neue 3D-Drucktechnik des ETH und von Inkbit nutzt einen 3D-Laserscanner, um nach dem Druck einer Schicht die Oberfläche auf Unebenheiten zu überprüfen. Beim Druck der nächsten Schicht werden die Unregelmäßigkeiten ausgeglichen. Die dafür nötige Materialmenge und Position wird vorab in Echtzeit bestimmt. Ein Abschaben der Unebenheiten für den Auftrag der nächsten Schicht ist dann nicht mehr erforderlich. Als Stützmaterial für den Druck wird Wachs verwendet, das etwa bei einer Temperatur von 60 °C schmilzt.
Die 3D-Drucktechnik entwickelte die US-Firma Inkbit, eine Ausgründung des Massachusetts Institute of Technology (MIT). Die ETH Zürich unterstützte Inkbit bei der Optimierung der Drucktechnik, um sie für langsam aushärtende Polymere nutzen zu können. Zusätzlich testete das ETH das 3D-Druckverfahren mit verschiedenen Anwendungen, darunter die Roboterhand sowie einen Laufroboter.
Inkbit will die Technik nun kommerzialisieren und einen Druckservice anbieten sowie einen 3D-Drucker mit dieser Technik verkaufen. Die ETH Zürich beabsichtigt, in einem nächsten Schritt die Möglichkeiten der neuen Drucktechnik auszureizen und noch komplexere Strukturen auszudrucken.
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(olb)