Autor: Günter Kögel
Die Additive Fertigung entwickelt sich rasant weiter. Ein sehr gutes Beispiel dafür ist eine Laserscanning-Technik, mit der sich aufgrund neuartiger, äußerst elastischer Kunststoffe menschenähnliche Strukturen 3D-drucken lassen.
Neue elastische und robuste Polymere
Mit dem Verfahren hat die Palette an Materialien, die für den 3D-Druck verwendet werden können, einen entscheidenden Zuwachs bekommen. Während die Technologie bisher auf schnell härtende Kunststoffe beschränkt war, können mit einer Weiterentwicklung jetzt 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, die von Wissenschaftlern der ETH Zürich und des US-amerikanischen Start-ups Inkbit entwickelt wurde. Damit lassen sich 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 Forscher damit erstellen.
Verschiedene Polymere in einem Durchgang 3D-drucken
Mit der neuen Technologie gelang es den Forschern der ETH Zürich 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“, so Thomas Buchner, Doktorand in der Gruppe von ETH-Robotik-Professor Robert Katzschmann.
„Wir verwenden neue, 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“, erklärt Buchner.
Steifigkeit fein einstellbar
Außerdem lässt sich nach Erfahrung der Wissenschaftler 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“, ergänzt ETH-Professor Katzschmann.
Bei den 3D-Druckverfahren, auf denen die neue Lösung basiert, tragen Düsen an jeder Stelle das gewünschte Material in dickflüssiger Form auf. Eine UV-Lampe härtet jede Schicht sogleich. Bisher werden die unvermeidbaren Unebenheiten mit einer Vorrichtung nach jedem Härtungsschritt abgeschabt. Das funktioniert allerdings nur mit schnell härtenden Polyacrylaten. Langsam härtende Polymere wie die Thiolene und Epoxide würden eine Abschabvorrichtung verkleben.
Unebenheiten werden gescannt und automatisch ausgeglichen
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Der 3D-Drucker Vista von Inkbit ist für eine Massenproduktion von funktionalen 3D-Druck-Teilen gedacht. Das Verfahren „Vision-Controlled-Jetting“ (VCJ) arbeitet mit Materialtropfen und UV-Licht, das Trägermaterial ist ein Harz. Bei den meisten Druckern werden die unvermeidbaren Unebenheiten mit einer Vorrichtung nach jedem Härtungsschritt abgeschabt. Das funktioniert allerdings nur mit schnell härtenden Polyacrylaten. Langsam härtende Polymere wie die Thiolene und Epoxide würden eine Abschabvorrichtung verkleben.
Damit die Wissenschaftler auch langsam härtende Polymere verwenden konnten, haben sie den 3D-Druck weiterentwickelt: Die Besonderheit des Vista liegt in seinem bildverarbeitungsbasierten Feedback-Kontrollsystem. Dieses nimmt fortlaufend 3D-Scan-Daten auf Voxel-Ebene des Druckprozesses auf. „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, Professor am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in den USA. Das heißt, die neue Technologie ebnet Unebenheiten nicht mehr aus, sondern berücksichtigt sie beim Druck der nächsten Schicht einfach mit. Mit dieser Closed-Loop-Feedback-Kontrolle haben Anwender eine Echtzeit-Kontrolle über jede Schicht während des Drucks. Eine gute Voraussetzung für Maßgenauigkeit und Reproduzierbarkeit.
Für die Entwicklung des VCJ-Verfahrens und des 3D-Druckers Vista war Inkbit, ein Spin-off des MIT, verantwortlich. Die Forscher der ETH Zürich entwickelten mehrere Roboter-Anwendungen und halfen, das Druckverfahren für die Verwendung der langsam härtenden Polymere zu optimieren.
An der ETH Zürich wird die Gruppe um Prof. Robert Katzschmann die Technologie nutzen, um weitere Möglichkeiten auszuloten, noch ausgefeiltere Strukturen zu entwerfen und zusätzliche Anwendungen zu entwickeln. Inkbit verkauft nicht nur die 3D-Drucker, sondern bietet auch einen 3D-Druck-Service an. Der Deutschlandvertrieb findet über Production to go statt.
