Gedruckte Roboter mit Knochen, Bändern und Sehnen

Der 3D-Druck macht rasante Fortschritte, und die Palette an Materialien, die daf¨¹r 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 Z¨¹rich 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 zur¨¹ck

Mit der neuen Technologie gelang es den Forschenden der ETH Z¨¹rich 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 zur¨¹ck als Polyacrylate.? Daher eignen sich die Thiolen-Polymere hervorragend, um die elastischen B?nder der Roboterhand herzustellen.

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 gegen¨¹ber herk?mmlichen Robotern aus Metall: Weil sie weich sind, sinkt die Verletzungsgefahr, wenn sie mit Menschen zusammenarbeiten, und sie eignen sich besser f¨¹r den Umgang mit zerbrechlichen G¨¹tern?, erkl?rt ETH-Professor Katzschmann.

Scannen statt abschaben

3D-Drucker stellen Gegenst?nde generell Schicht f¨¹r Schicht her: D¨¹sen tragen an jeder Stelle das gew¨¹nschte Material in dickfl¨¹ssiger 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 w¨¹rden eine Abschabvorrichtung verkleben.

Damit die Forschenden auch langsam h?rtende Polymere verwenden konnten, entwickelten sie den 3D-Druck weiter: Ein 3D-Laser-Scanner pr¨¹ft 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 ber¨¹cksichtigt sie beim Druck der n?chsten Schicht einfach mit.

F¨¹r die Entwicklung der neuen Drucktechnologie war die Firma Inkbit, ein Spin-off des MIT verantwortlich. Die Forschenden der ETH Z¨¹rich entwickelten mehrere Roboter-Anwendungen und halfen, die Drucktechnologie f¨¹r 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 Z¨¹rich 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.