EPFL-Forschende entwickeln Tinte für den 3D-Druck für flexible Bauteile

Forschende der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) entwickeln eine neue Generation weicher Aktuatoren und Roboter indem sie eine auf Elastomeren basierende Tinte für den 3D-Druck verwenden die es ermöglicht Objekte mit lokal variierenden mechanischen Eigenschaften herzustellen und so umständliche mechanische Gelenke überflüssig macht.

Für Ingenieur*innen, die an Soft-Robotik oder tragbaren Geräten arbeiten, ist es eine ständige Herausforderung, die Dinge leicht zu halten: Schwerere Materialien benötigen mehr Energie, um sich zu bewegen, und verursachen – im Falle von tragbaren Geräten oder Prothesen – Unbehagen. Elastomere sind synthetische Polymere, die mit einer Reihe von mechanischen Eigenschaften hergestellt werden können, von steif bis dehnbar, was sie zu einem beliebten Material für solche Anwendungen macht. Die Herstellung von Elastomeren, die zu komplexen 3D-Strukturen geformt werden können, die von starr bis gummiartig reichen, war bisher jedoch nicht möglich.

“Elastomere werden in der Regel gegossen, so dass ihre Zusammensetzung nicht in allen drei Dimensionen über kurze Längenskalen verändert werden kann. Um dieses Problem zu überwinden, haben wir DNGEs entwickelt: 3D-druckbare granulare Elastomere mit doppeltem Netzwerk, die ihre mechanischen Eigenschaften in einem noch nie dagewesenen Ausmass verändern können”, sagt Esther Amstad, Leiterin des Soft Materials Laboratory der EPFL School of Engineering.

Eva Baur, Doktorandin in Amstads Labor, hat DNGEs verwendet, um einen Prototyp eines “Fingers” mit starren “Knochen” und flexiblem “Fleisch” zu drucken. Der Finger wurde so gedruckt, dass er sich in einer vordefinierten Weise verformt. Dies zeigt, dass die Technologie das Potenzial hat, Geräte herzustellen, die ausreichend geschmeidig sind, um sich zu biegen und zu strecken, und gleichzeitig fest genug, um Objekte zu manipulieren.

Aufgrund dieser Vorteile glauben die Forscherinnen, dass DNGEs die Entwicklung von weichen Aktoren, Sensoren und Wearables ohne schwere, sperrige mechanische Gelenke erleichtern könnten. Die Forschungsergebnisse wurden in der Zeitschrift Advanced Materials veröffentlicht.

Zwei elastomere Netzwerke; doppelt so vielseitig

Der Schlüssel zur Vielseitigkeit der DNGEs liegt in der Entwicklung zweier elastomerer Netzwerke. Zunächst werden elastomere Mikropartikel aus Öl-in-Wasser-Emulsionstropfen hergestellt. Diese Mikropartikel werden in eine Vorläuferlösung gegeben, wo sie Elastomerverbindungen aufnehmen und aufquellen. Die gequollenen Mikropartikel werden dann zur Herstellung einer 3D-druckbaren Tinte verwendet, die in einen Bioprinter geladen wird, um die gewünschte Struktur zu erzeugen. Der Vorläufer wird in der 3D-gedruckten Struktur polymerisiert, wodurch ein zweites elastomeres Netzwerk entsteht, das das gesamte Objekt versteift.

Während die Zusammensetzung des ersten Netzwerks die Steifigkeit der Struktur bestimmt, bestimmt das zweite die Bruchzähigkeit, d. h. die beiden Netzwerke können unabhängig voneinander fein abgestimmt werden, um eine Kombination aus Steifigkeit, Zähigkeit und Ermüdungsfestigkeit zu erreichen. Die Verwendung von Elastomeren anstelle von Hydrogelen – dem Material, das bei den modernsten Ansätzen verwendet wird – hat den zusätzlichen Vorteil, dass die Strukturen wasserfrei sind, was sie auf Dauer stabiler macht. Darüber hinaus können DNGEs mit handelsüblichen 3D-Druckern gedruckt werden.

“Das Schöne an unserem Ansatz ist, dass jeder, der einen handelsüblichen Biodrucker besitzt, ihn verwenden kann”, betont Amstad.

Eine interessante potenzielle Anwendung von DNGEs sind Geräte für die bewegungsgesteuerte Rehabilitation, bei denen die Fähigkeit, Bewegungen in einer Richtung zu unterstützen und in einer anderen einzuschränken, sehr nützlich sein könnte. Die weitere Entwicklung der DNGE-Technologie könnte zu Prothesen oder sogar zu Bewegungsführern zur Unterstützung von Chirurgen führen. Ein weiterer Anwendungsbereich ist die Erfassung von Bewegungen aus der Ferne, beispielsweise bei der robotergestützten Ernte oder der Unterwasserforschung.

Laut Amstad arbeitet das Soft Materials Lab bereits an den nächsten Schritten zur Entwicklung solcher Anwendungen, indem aktive Elemente – wie reaktionsfähige Materialien und elektrische Verbindungen – in DNGE-Strukturen integriert werden.