Gedruckte Roboter mit Knochen, Bändern und Sehnen

Dank einer neuen Laserscanning-Technik k?nnen Forschende nun auch spezielle Kunststoffe mit hervorragender Elastizit?t 3D-drucken. So k?nnen sie auch menschen?hnliche Strukturen herstellen – und er?ffnen damit der Soft-Robotik g?nzlich neue M?glichkeiten.

Zwei Hände, die mittels 3D-Drucker gedruckt worden sind. Die Linke hält einen Eding-Stift, die Rechte eine Wasserflasche.
In einem Durchgang im 3D-Druck hergestellt: ein Hand-Roboter, der aus unterschiedlich festen beziehungsweise elastischen Polymeren besteht. (Bild: ETH Zürich / Thomas Buchner)

In Kürze

  • Forschende machen den 3D-Druck fit für langsam h?rtende Polymere, was die M?glichkeiten der Soft Robotik deutlich erweitert. Denn die neuen Materialien sind besser als die bisherigen.
  • M?glich ist dies dank einer neuen Technologie, die den 3D-Druck mit einem Laserscanner und einem Feedback-Mechanismus kombiniert.
  • Ein Spin-off in den USA bietet diese Technologie nun an und druckt auf Kundenwunsch komplexe Objekte.

Der 3D-Druck macht rasante Fortschritte, und die Palette an Materialien, die dafür verwendet werden k?nnen, hat einen entscheidenden Zuwachs bekommen. W?hrend die Technologie bisher auf schnell h?rtende Kunststoffe beschr?nkt war, k?nnen dank einer Weiterentwicklung neu auch langsam h?rtende Kunststoffe verwendet werden. Und diese haben entscheidende Vorteile: Sie haben bessere elastische Eigenschaften, sind dauerhafter und robuster.

M?glich macht den Einsatz solcher Polymere eine neue Technologie von Forschenden der ETH Zürich und eines amerikanischen Start-ups. Damit k?nnen die Forschenden nun auch komplexe widerstandsf?higere 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 Hohlr?umen und filigrane Strukturen k?nnen die Forschenden damit erstellen.

Materialien springen in den Ausgangszustand zurück

Mit der neuen Technologie gelang es den Forschenden der ETH Zürich erstmals, eine Roboterhand mit Knochen, B?ndern und Sehnen aus verschiedenen Polymeren in einem Durchgang zu drucken. ?Mit den schnell h?rtenden Polyacrylaten, die wir bisher beim 3D-Druck verwendeten, h?tten wir diese Hand nicht herstellen k?nnen?, erkl?rt Thomas Buchner, Doktorand in der Gruppe von ETH-Robotik-Professor Robert Katzschmann und Erstautor der Studie. ?Wir verwenden neu langsam h?rtende 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 B?nder der Roboterhand herzustellen.

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(Video: ETH Zürich / Nicole Davidson)

Ausserdem l?sst 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 herk?mmlichen 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?, erkl?rt ETH-Professor Katzschmann.

Scannen statt abschaben

3D-Drucker stellen Gegenst?nde generell Schicht für Schicht her: Düsen tragen an jeder Stelle das gewünschte Material in dickflüssiger Form auf. Eine UV-Lampe h?rtet jede Schicht sogleich. Bisherige Verfahren haben eine Vorrichtung, die Unebenheiten nach jedem H?rtungsschritt abschabt. Das funktioniert nur mit schnell h?rtenden Polyacrylaten. Langsam h?rtende Polymere wie die Thiolene und Epoxide würden eine Abschabvorrichtung verkleben.

Entwicklungsprozess, wie eine Hand gedruckt wird.
Schicht für Schicht wird die aus Polymeren mit unterschiedlicher Elastizit?t gedruckt (links: Schema, rechts: Computergrafik). (Bild: Buchner TJK et al., Nature 2023)

Damit die Forschenden auch langsam h?rtende Polymere verwenden konnten, entwickelten sie den 3D-Druck weiter: Ein 3D-Laser-Scanner prüft jede gedruckte Schicht sofort auf allf?llige Unebenheiten. ?Ein Feedback-Mechanismus gleicht diese Unebenheiten beim Druck der n?chsten Schicht aus, indem er in Echtzeit punktgenau n?tige Anpassungen der zu druckenden Materialmengen berechnet?, erkl?rt Wojciech Matusik, Professor am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in den USA und Mitautor der Studie. Das heisst, die neue Technologie ebnet Unebenheiten nicht mehr aus, sondern berücksichtigt sie beim Druck der n?chsten Schicht einfach mit.

Zwei Beispiele von 3D-gedruckten Gegenständen
Zu weiteren 3D-gedruckten Beispielen geh?ren ein Laufroboter und sogenannte Metamaterialen. Letztere k?nnten zur Vibrationsd?mpfung verwendet werden. (Bilder: ETH Zürich / Thomas Buchner)

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 h?rtenden Polymere zu optimieren. Die Forschenden aus der Schweiz und den USA ver?ffentlichen nun Technologie und Anwendungsbeispiele gemeinsam im Fachmagazin externe Seite Nature.

An der ETH Zürich wird die Gruppe Robert Katzschmann die Technologie nutzen, um weitere M?glichkeiten auszuloten, noch ausgefeiltere Strukturen zu entwerfen und zus?tzliche Anwendungen zu entwickeln. Die Firma Inkbit plant, mit der neuen Technologie Kunden einen 3D-Druck-Service anzubieten und auch Drucker zu verkaufen.

Literaturhinweis

Buchner TJK, Rogler S, Weirich S, Armati Y, Cangan BG, Ramos J, Twiddy S, Marini D, Weber A, Chen D, Ellson G, Jacob J, Zengerle W, Katalichenko D, Keny C, Matusik W, Katzschmann RK: Vision-Controlled Jetting for Composite Systems and Robots, Nature, 15. November 2023, doi: externe Seite 10.1038/s41586-023-06684-3

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