Forschungsteam erschließt neue Methode zum 3D-Druck komplexer, funktionaler Komponenten für die Softrobotik

Ein Forscherteam der Singapore University of Technology and Design (SUTD) hat einen neuen Ansatz entwickelt, um die Freeform Liquid 3D Printing (FL-3DP)-Technologie für den 3D-Druck robusterer und geometrisch komplexer Komponenten für die Softrobotik zu übernehmen.

FL-3DP ist eine aufstrebende Technologie mit hohem Potenzial, die den 3D-Druck von Funktionskomponenten aus mehreren Materialien ermöglicht. Es verwendet Gel als temporäres Suspensionsmedium, in dem Tinten extrudiert und an Ort und Stelle gehalten werden. Sobald die Tinten verfestigt sind, kann das Gel dann leicht abgewaschen werden.

Dieser Ansatz überwindet zwei große Einschränkungen, denen bestehende 3D-Drucktechnologien gegenüberstehen. Erstens ermöglicht es den 3D-Druck von Materialien, die beim Extrudieren lange brauchen, um sich zu verfestigen. Zweitens sind aufgrund seiner Fähigkeit, Tinten zu halten und sie im flüssigen Zustand zu halten, fortschrittliche Geometrien wie überhängende Strukturen, Formen mit hohen Aspektverhältnissen oder feine Kombinationen mehrerer Materialien jetzt eine praktikable Option geworden.

Es wurde jedoch festgestellt, dass frühe FL-3DP bei der Herstellung fortschrittlicher Komponenten eingeschränkte Funktionen aufwiesen, da nur Monomaterialstrukturen oder einfache Formen wie Netze und Schalen demonstriert werden konnten. Das Fehlen komplexerer Demonstratoren trotz der Versprechungen dieser Technologie könnte teilweise durch Schwierigkeiten bei der Kontrolle der Grenzflächen zwischen den Tinten und Trägern erklärt werden, wodurch die Druckauflösung in Frage gestellt wird.

Durch eine eingehende Untersuchung der rheologischen Eigenschaften und Grenzflächenstabilitäten zwischen Tinten und Trägergelen gelang es den SUTD-Forschern, die Filamentform besser vorherzusagen, was zu einer verbesserten Druckauflösung und -treue führte.

Dieses Ergebnis ermöglichte die vollständige Ausnutzung der FL-3DP-Technologie durch die Herstellung komplexer elastomerbasierter Komponenten, die mehrere Materialien kombinieren, und die Erweiterung des Bereichs bei komplexen geometrischen Drucken. Ihr Artikel „Freeform Liquid 3D Printing of Soft Functional Components for Soft Robotics“, der diese wichtigsten Erkenntnisse zusammenfasst, wurde in veröffentlicht ACS Angewandte Materialien und Grenzflächen.

Um die Vorteile von FL-3DP gegenüber herkömmlichen Herstellungsansätzen wie Gießen und Formen zu demonstrieren, entwarfen und fertigten die Forscher fortschrittliche pneumatische Komponenten für Soft-Robotik-Anwendungen, die speziell in Soft-Greifern verwendet werden. Durch die Kombination von steifen, weichen und funktionalen Elastomeren waren sie in der Lage, die Formverformung der Komponenten präzise zu steuern, ihre Funktionalitäten durch Anpassen der Reibung weicher Greiferoberflächen oder durch Bereitstellen von Sensorfunktionen abzustimmen und die Lebensdauer von Komponenten um bis zu zehn zu verlängern Zeiten im Vergleich zu ihren traditionellen gegossenen Gegenstücken.

Diese Ergebnisse sind Teil einer weltweiten Anstrengung, eine neue Ära für den extrusionsbasierten 3D-Druck durch die Verwendung geeigneter Suspensionsmedien einzuläuten. Dieser verbesserte Ansatz bietet Designern und Ingenieuren auch einen breiteren Designraum und könnte vielen Anwendungen zugute kommen, wie z. B. der Softrobotik, bei der komplexe und robuste Kombinationen aus einer Vielzahl von Materialien und Funktionen erforderlich sind.

Das Team arbeitet nun daran, die Palette der verarbeitbaren Materialien zu erweitern, indem es neue Suspensionsmedien entwickelt, die mit mehr Tinten chemisch kompatibel sind.

„FL-3DP und andere neue, auf Extrusion basierende additive Fertigungsverfahren bringen uns immer näher an das ultimative Ziel der vollständigen direkten Co-Fertigung komplexer Funktionssysteme wie Roboter und anderer komplexer Funktionsprodukte und -geräte“, sagte der leitende Forscherassistent Professor Pablo Valdivia y Alvarado von SUTD.