{"id":51746,"date":"2023-11-20T00:01:50","date_gmt":"2023-11-19T23:01:50","guid":{"rendered":"https:\/\/www.3dnatives.com\/de\/?p=51746"},"modified":"2023-11-17T15:38:15","modified_gmt":"2023-11-17T14:38:15","slug":"eth-zuerich-3d-gedruckte-roboter-hand-softrobotik-201120231","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.3dnatives.com\/de\/eth-zuerich-3d-gedruckte-roboter-hand-softrobotik-201120231\/","title":{"rendered":"ETH Z\u00fcrich zeigt mit 3D-gedruckter Roboter-Hand neue Potentiale f\u00fcr die Softrobotik auf"},"content":{"rendered":"

Die Robotik w\u00e4chst mit den wachsenden Anwendungsbereichen und Erfordernissen. Insbesondere die Softrobotik ist auf dem Vormarsch, denn Roboter aus weichen Materialien erm\u00f6glichen elastische Verformungen und minimieren Gefahren, die oft bei herk\u00f6mmlichen Robotern aus steifen Materialien wie Stahl oder Aluminium bestehen. Die Vorteile der Softrobotik<\/a> sind in den verschiedensten Feldern gefragt, wie etwa Gesundheitsf\u00fcrsorge, Mensch-Maschine-Interaktionen und dem Greifen von zerbrechlichen oder komplexen Objekten. Wachstum, getrieben durch neue Anwendungen, ist auch ein Parameter, der auf die Entwicklung des 3D-Drucks zutrifft. Robotik und additiven Fertigung<\/a> teilen sich diese Gemeinsamkeit und so ist es kein Wunder, dass Technologien fusionieren und Roboter immer h\u00e4ufiger per 3D-Druck gefertigt werden. Bisher war die additive Fertigung darauf beschr\u00e4nkt, nur schnell h\u00e4rtende Kunststoffe zu verarbeiten. Ein fortschrittliches, erweitertes Portfolio an kompatiblen Materialien bringt aber auch hier neue Entwicklungen und folglich neue Anwendungspotentiale. In diesem Zusammenhang l\u00e4sst eine Studie der ETH Z\u00fcrich aufhorchen, bei der einer 3D-gedruckten Roboter-Hand eine besondere Rolle zuteil wird.<\/p>\n

Forschern der Eidgen\u00f6ssischen Technischen Hochschule Z\u00fcrich (ETH Z\u00fcrich<\/a>) ist es gelungen, erstmals langsam h\u00e4rtende Kunststoffe im 3D-Druck zu verarbeiten. Diese Kunststoffe sind elastisch, dauerhafter und robuster und erm\u00f6glichten den Druck eines Hand-Roboters in einem Durchgang. M\u00f6glich machte dies die Kooperation mit dem US-Startup Inkbit<\/a> und dessen Technologie. Zusammen arbeiteten sie an der Studie \u201eVision-controlled jetting for composite systems and robots<\/em>\u201c mit dem Ziel, komplexe Strukturen mit hohen Aufl\u00f6sungen und unterschiedlichen Materialeigenschaften herzustellen und die Funktionen von nat\u00fcrlichen Organismen in synthetischer Form nachzustellen. Damit reagierten die Kooperationspartner auf die Herausforderung, komplexe, funktionale Systeme mit elastischen Eigenschaften automatisch und schnell mit herk\u00f6mmlichen Herstellungsverfahren zu fertigen. Sie kombinierten 3D-Druck mit Laserscannern und einem Feedback-Mechanismus. Aufgrund dieses technologischen Ansatzes war es m\u00f6glich, erstmals niedrigviskose, langsam h\u00e4rtende Polymere mit hervorragender Elastizit\u00e4t 3D zu drucken. Auf diese Weise k\u00f6nnen nun komplexe, widerstandsf\u00e4hige Roboter hergestellt werden, welche aus verschiedenen, qualitativ hochwertigen Materialien bestehen und eine Kombination aus weichen, elastischen und harten, festen Strukturen aufweisen. Der gelungene durchg\u00e4ngige Druck von filigranen Teilen und menschen\u00e4hnlichen Strukturen mit Hohlr\u00e4umen zeigt so auch neue M\u00f6glichkeiten in der Softrobotik auf. Die Ergebnisse der Studie wurden am 15.11.2023 im Fachmagazin Nature<\/em> ver\u00f6ffentlicht.<\/p>\n

\"\"

Die Studie der ETH Z\u00fcrich mit Inkbit zeigt neue M\u00f6glichkeiten f\u00fcr die Softrobotik und den 3D-Druck auf. (Bild: Thomas Buchner et al; Nature)<\/p><\/div>\n

Im Rahmen der Studie testeten die ETH Z\u00fcrich und Inkbit ihren Ansatz in verschiedenen Anwendungsbeispielen. So stellten sie eine breite Palette an hochaufl\u00f6senden Verbundstoffen und verschiedenen Robotern her, darunter Roboter-H\u00e4nde<\/a>, pneumatisch bet\u00e4tigte Laufmanipulatoren, Herzpumpen und weitere Metamaterialstrukturen. Das Beispiel der Roboter-Hand mit k\u00fcnstlichen Knochen, B\u00e4ndern und Sehen sticht dabei besonders hervor, denn die Hand besteht aus verschiedenen Polymeren und weist f\u00fcr die Sensorik auch Hohlr\u00e4ume auf. Der Druck erfolgte in einem Rutsch und es war kein weiteres Zusammenbauen erforderlich. Grund daf\u00fcr waren unter anderem die verwendeten Polymere<\/a>: „Mit den schnell h\u00e4rtenden Polyacrylaten, die wir bisher beim 3D-\u200bDruck verwendeten, h\u00e4tten wir diese Hand nicht herstellen k\u00f6nnen“<\/em>, erkl\u00e4rt Thomas Buchner, Doktorand in der Gruppe von ETH-\u200bRobotik-Professor Robert Katzschmann und Erstautor der Studie. „Wir verwenden neu langsam h\u00e4rtende Thiolen-\u200bPolymere. Diese haben sehr gute elastische Eigenschaften und springen nach dem Verbiegen viel schneller in den Ausgangszustand zur\u00fcck als Polyacrylate.“<\/em> Aufgrund dieser Eigenschaften eigneten sich die Thiolen-Polymere auch hervorragend dazu, die elastischen B\u00e4nder der Roboter-Hand herzustellen. Au\u00dferdem kann die Steifigkeit von Thiolen sehr fein eingestellt werden und so an die Erfordernisse von Softrobotern angepasst werden. „Roboter aus weichen Materialien wie die von uns entwickelte Hand haben Vorteile gegen\u00fcber herk\u00f6mmlichen Robotern aus Metall: Weil sie weich sind, sinkt die Verletzungsgefahr, wenn sie mit Menschen zusammenarbeiten, und sie eignen sich besser f\u00fcr den Umgang mit zerbrechlichen G\u00fctern“<\/em>, erkl\u00e4rt ETH-\u200bProfessor Katzschmann.<\/p>

\"\"<\/a><\/div>\n

Neuer technologischer Ansatz f\u00fcr Druck von Roboter-Hand<\/h3>\n

Der Ansatz, den die ETH und Inkbit bei der Roboter-Hand verfolgten, bietet auch einen hohen Durchsatz und ein automatisiertes Verfahren des Multimaterialdrucks mit hoher Skalierbarkeit. Eine Schl\u00fcsselrolle kam beim Erfolg der Roboter-Hand den bereits erw\u00e4hnten langsam aush\u00e4rtenden Polymeren (Thiolene und Epoxide) zu. Um diese allerdings per 3D-Druck verarbeiten zu k\u00f6nnen, kommt es auch auf die verwendete Technologie an. Bisher konnten nur schnell aush\u00e4rtende Polymere im 3D-Druck verarbeitet werden, da eine Vorrichtung Unebenheiten nach der H\u00e4rtung abschabt und so f\u00fcr Teile in entsprechender Qualit\u00e4t sorgt. Langsam aush\u00e4rtende Polymere w\u00fcrden eine solche Abschabvorrichtung allerdings verkleben, deshalb lohnt es sich, einen genaueren Blick auf die Technologie zu werfen, die die ETH Z\u00fcrich bei ihrer Forschung verwendet hat.<\/p>\n

\"\"

Die 3D-gedruckte Roboter-Hand besteht aus k\u00fcnstlichen Knochen, Sehnen und B\u00e4ndern aus unterschiedlichen Materialien, darunter auch weiche, elastische Kunststoffe. (Bild: Thomas Buchner et al; Nature)<\/p><\/div>\n

Es handelt sich dabei um die Vision Controlled Jetting-Technologie<\/a> des US-Startups Inkbit, ein Spin-off des MIT. Bei dieser Drucktechnologie, einem Inkjet-Verfahren, tragen D\u00fcsen an jeder Stelle das gew\u00fcnschte, dickfl\u00fcssige Material auf, das durch eine UV-Lampe Schicht f\u00fcr Schicht ausgeh\u00e4rtet wird. Das Besondere an der Technologie ist aber, dass ein 3D-Laserscanner daraufhin die gedruckte Schicht auf Unebenheiten pr\u00fcft, die dann beim Auftragen der n\u00e4chsten Schicht ber\u00fccksichtigt werden. „Ein Feedback-\u200bMechanismus gleicht diese Unebenheiten beim Druck der n\u00e4chsten Schicht aus, indem er in Echtzeit punktgenau n\u00f6tige Anpassungen der zu druckenden Materialmengen berechnet“<\/em>, erkl\u00e4rt Wojciech Matusik, Professor am Massachusetts Institute of Technology (MIT) und Mitautor der Studie. Das hei\u00dft, das Scansystem<\/a> erfasst die 3D-Struktur und erm\u00f6glicht \u00fcber eine digitale R\u00fcckkopplungsschleife eine sofortige Anpassung. Das macht mechanische Zusatzl\u00f6sungen \u00fcberfl\u00fcssig und erm\u00f6glicht ein durchgehendes ber\u00fchrungsloses Verfahren, in dem kontinuierlich aush\u00e4rtende Kunststoffe mit unterschiedlicher Elastizit\u00e4t gedruckt werden k\u00f6nnen. Als St\u00fctzstruktur wird Wachs verwendet, das anschlie\u00dfend bei 60\u00b0Grad weggeschmolzen wird.<\/p>\n

Herausforderungen bestanden f\u00fcr die ETH Z\u00fcrich und Inkbit bei diesem Forschungs-Projekt darin, dass sich einige gedruckte Teile im Freien verformten<\/a>. Au\u00dferdem kam es vor, dass die Grenzfl\u00e4chen der Multimaterialdrucke nicht immer gut hafteten, was allerdings in Zukunft verbessert werden kann. Die insgesamt hohe Aufl\u00f6sung, der schnelle Druckvorgang und die gro\u00dfe Bandbreite an Materialien mit verschiedenen Eigenschaften erm\u00f6glichen eine Vielzahl an hybriden weich-starren Robotern und anderen Anwendungen. Die ETH Z\u00fcrich konnte durch die verschiedenen getesteten Anwendungen die Drucktechnologie von Inkbit f\u00fcr die Verwendung von langsam h\u00e4rtenden Polymeren optimieren und wird sich nun darauf konzentrieren, weitere M\u00f6glichkeiten auszuloten und noch komplexere Strukturen f\u00fcr verschiedene Anwendungen auszuprobieren. Inkbit hat es sich zum Ziel gemacht, die Technologie zu kommerzialisieren, sie als Service anzubieten und im n\u00e4chsten Schritt auch einen Drucker mit dieser Technologie auf den Markt zu bringen. Mehr zur Studie finden Sie HIER<\/a>.<\/p>\n