In einem Durchgang im 3D-Druck hergestellt: ein Hand-Roboter, der aus unterschiedlich festen beziehungsweise elastischen Polymeren besteht. (Bild: ETH Zürich / Thomas Buchner)
Der 3D-Druck macht rasante Fortschritte und die Palette der verwendbaren Materialien hat sich entscheidend erweitert. War die Technologie bisher auf schnell aushärtende Kunststoffe beschränkt, können dank einer Weiterentwicklung nun auch langsam aushärtende Kunststoffe verwendet werden. Diese haben entscheidende Vorteile: Sie sind elastischer, langlebiger und robuster.
Den Einsatz solcher Polymere ermöglicht eine neue Technologie, die Forschende der ETH Zürich und ein amerikanisches Start-up-Unternehmen entwickelt haben. Damit können die Forschenden nun komplexe und widerstandsfähige Roboter aus verschiedenen hochwertigen Materialien im 3D-Druckverfahren herstellen. Und zwar in einem einzigen Druckvorgang. Zudem lassen sich weiche, elastische und feste Materialien problemlos kombinieren. Auch beliebige Teile mit Hohlräumen und filigranen Strukturen können die Forschenden damit herstellen.
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Materialien springen in den Ausgangszustand zurück
Mit der neuen Technologie ist es den Forschenden der ETH Zürich erstmals gelungen, eine Roboterhand mit Knochen, Bändern und Sehnen aus verschiedenen Polymeren in einem Durchgang zu drucken. «Mit den schnell härtenden Polyacrylaten, die wir bisher für den 3D-Druck verwendet haben, hätten wir diese Hand nicht herstellen können», erklärt Thomas Buchner, Doktorand in der Gruppe von ETH-Robotik-Professor Robert Katzschmann und Erstautor der Studie. «Wir verwenden neue langsam härtende Thiolen-Polymere. Diese haben sehr gute elastische Eigenschaften und kehren nach einer Verbiegung viel schneller in den Ausgangszustand zurück als Polyacrylate.» Thiolen-Polymere eignen sich daher hervorragend, um die elastischen Bänder der Roboterhand herzustellen.
Weiche Materialien für die Sicherheit von Menschen
Außerdem lässt sich die Steifigkeit von Thiolen sehr fein einstellen und so an die Bedürfnisse von Soft-Robotern anpassen. «Roboter aus weichen Materialien wie die von uns entwickelte Hand haben gegenüber herkömmlichen Robotern aus Metall Vorteile: Weil sie weich sind, ist die Verletzungsgefahr bei der Zusammenarbeit mit Menschen geringer und sie eignen sich besser für den Umgang mit zerbrechlichen Gütern», erklärt ETH-Professor Katzschmann.
Hintergrund: Scannen statt abschaben
3D-Drucker bauen Objekte in der Regel Schicht für Schicht auf: Düsen tragen an jeder Stelle das gewünschte Material dickflüssig auf. Eine UV-Lampe härtet jede Schicht sofort aus. Bisherige Verfahren haben eine Vorrichtung, die nach jedem Härtungsschritt Unebenheiten abschabt. Das funktioniert nur bei schnell härtenden Polyacrylaten. Langsam härtende Polymere wie Thiole und Epoxide würden eine Schabvorrichtung verkleben.
Um auch langsam härtende Polymere verwenden zu können, entwickelten die Forschenden den 3D-Druck weiter: Ein 3D-Laserscanner überprüft jede gedruckte Schicht sofort auf Unebenheiten. «Ein Feedback-Mechanismus gleicht diese Unebenheiten beim Druck der nächsten Schicht aus, indem er in Echtzeit die nötigen Anpassungen der zu druckenden Materialmengen präzise berechnet», erklärt Wojciech Matusik, Professor am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in den USA und Mitautor der Studie. Das heißt, die neue Technologie gleicht Unebenheiten nicht mehr aus, sondern berücksichtigt sie einfach beim Druck der nächsten Schicht.
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 härtenden Polymere zu optimieren. Das folgende Youtube-Video zeigt den Vorgang im Detail: