Die Vielseitigkeit des 3D‑Drucks: Growth Printing, Robotik und mehr

Additive Manufacturing hat seit der ersten Vorstellung des Schichtdrucks im Gegensatz zum Spritzgießen durch Dr. Hideo Kodama im Jahr 1981 einen weiten Weg zurückgelegt. Seitdem gab es einen stetigen Strom bahnbrechender Fortschritte, die zur Weiterentwicklung dieses modernen Fertigungsverfahrens geführt haben. Jetzt soll die Vielseitigkeit des 3D‑Drucks dank einiger innovativer Konzepte, die den Markt erobern, weiter zunehmen. Das sollten Sie wissen.

Jenseits der Individualisierung: Die wachsenden Fähigkeiten des 3D‑Drucks

3D‑Drucker können viel mehr als nur maßgeschneiderte Formen herstellen. Moderne 3D‑Drucker können Metall, neuartige Verbundstoffe, funktionierende Elektronik und sogar menschliche Organe drucken. All diese Entwicklungen führen zu weiteren Innovationen im Sektor, die die Technologie vorantreiben. Im Folgenden einige aktuelle Fortschritte im 3D‑Druck, die die Branche auf die nächste Stufe heben könnten.

3D‑Druck in der Robotik: Eine neue Ära der Aktuatoren

Wenn Sie an 3D‑gedruckte Robotik denken, stellen Sie sich wahrscheinlich einen Metall‑3D‑Drucker vor, der robotische Bauteile herstellt, die anschließend zusammengebaut werden, bevor sie funktionsfähig sind. Dieser Ansatz ist zwar völlig machbar, würde jedoch nur Sinn ergeben, wenn die gedruckte Robotik in kleinem Produktionsmaßstab oder als Einzelanfertigung benötigt würde.

Eine sinnvollere Anwendung von 3D‑Druck in der Robotik ist die Herstellung von Aktuatoren. Aktuatoren sind Systeme, die in Bewegung treten, wenn Sie Teile an einem Roboter bewegen. Sie bestehen in der Regel aus einer Art elektrischer Servomechanik, die bei Anlegen von Strom arbeitet. Der Nachteil dieses Ansatzes ist, dass Servos schwer, starr und komplex sind.

Recognizing these limitations, a team from Empa’s Laboratory for Functional Polymers just released the Rapid Manufacturing of High-Permittivity Dielectric Elastomer Actuator Fibers¹ study. This report highlights a novel approach to creating artificial muscles that operate as actuators for robots. The study explains how the new method eliminates the need for layer-by-layer batch production.

Dielektrische Elastomer‑Aktuatoren: Fortschritte in der weichen Robotik

Der Einsatz einer kontinuierlichen Co‑Extrusions‑basierten Fertigung ermöglicht es dem 3D‑Drucker, Aktuatoren zu erzeugen, die funktionieren und gleichzeitig die Grundprinzipien wie Weichheit und Elastizität beibehalten, die ihren menschlichen Gegenstücken eigen sind. Konkret ziehen sich diese Einheiten zusammen, wenn Spannung angelegt wird, und entspannen sich zu einem erweiterten Zustand, wenn keine Ladung mehr vorhanden ist. Diese Aktion ähnelt dem Funktionsprinzip Ihrer Muskeln.

Quelle – Empa

Innovative Materialien: Der Dual‑Ink‑Ansatz

Der Schlüssel zu ihrer Entwicklung war die Schaffung einer speziellen Drucker‑ und Tinten­kombination. Die Tinte musste sich unter bestimmten Bedingungen leicht verflüssigen, aber nach dem Aushärten Form, Elastizität und Kontraktionsfähigkeit behalten. Die Ingenieure integrierten zwei verschiedene, auf Silikon basierende Materialien.

Ein Material war ein leitfähiges Elektroden‑Material. Die andere Schicht bestand aus einem nicht‑leitfähigen Dielektrikum. Beide wurden gleichzeitig gedruckt. Bemerkenswert ist, dass sich die Materialien nicht vermischten, sondern in einem Kreuz‑Verknüpfungs‑Muster gedruckt wurden, ähnlich wie verschränkte Finger. Zusätzlich wurde eine spezielle Düse entwickelt, um die Materialien zuzuführen.

Das Ergebnis war ein ultra‑reaktiver Aktuator, der leichter ist als seine Vorgänger und keine beweglichen Teile besitzt. Die Ingenieure stellten fest, dass ihre Aktuatoren in nahezu jedem Design gefertigt werden können, um ein breites Anwendungsspektrum abzudecken. Zudem kosten sie weniger beim Druck und haben eine längere Lebensdauer als ihre Servo‑Gegenstücke.

Potenzielle Anwendungen: Von der Robotik zur Medizin

Es gibt mehrere Anwendungsbereiche für diese Technologie, die viele verschiedene Sektoren umfassen. Die Ingenieure haben bereits darüber gesprochen, die Technologie zu nutzen, um dünne, voll funktionsfähige, hoch‑permittive Fasern zu erzeugen, die als Ersatz für beschädigte menschliche Muskelfasern dienen könnten.
In Zukunft könnten diese preiswerten und zuverlässigen Aktuatoren in Autos, Maschinen und anderen Bereichen eingesetzt werden, die derzeit auf veraltete und ineffiziente Alternativen angewiesen sind. Das Team arbeitet nun daran, die Produktionskosten zu senken und neue Einsatzmöglichkeiten für diese fortschrittliche 3D‑Druck‑Technologie zu entdecken.

Growth Printing: Ein naturinspiriertes 3D‑Druckverfahren

Ingenieure vom Beckman Institute for Advanced Science and Technology haben kürzlich ein naturinspiriertes 3D‑Druckverfahren vorgestellt, das den Bedarf an Spezialgeräten oder Formen eliminiert. Das Forschungspapier Morphogenic Growth 3D Printing² verspricht, die Kosten für den 3D‑Druck zu senken und die Fertigung von kundenspezifischen Teilen mit fortschrittlichen Polymeren zu beschleunigen.

Growth Printing ist eine spannende Entwicklung, die sich von der Art inspirieren lässt, wie Bäume im Laufe der Zeit wachsen. Wenn man einen Baum betrachtet, ist einem oft nicht bewusst, dass sein Wachstum eine Kombination aus Genetik und Umwelt ist. Bäume passen ihr Wachstum ständig in winzigen Schritten an, um ihren Standort zu optimieren.

Quelle – Beckman Institute