Lewis Lab in Harvard entwickelt neue Methode für spiralförmigen 3D-Druck
Forscher der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences und des Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering an der Harvard University haben ein rotationsbasiertes Multimaterial-3D-Druckverfahren zur Herstellung spiralförmiger Fäden entwickelt. Mit diesem neuen Ansatz hat das Team künstliche Muskeln und federnde Gitter für den Einsatz in der Soft-Robotik und in strukturellen Anwendungen entworfen und hergestellt.
Extrudierte Tinten
Die Tinten werden dann durch eine komplexe Düse geleitet, mit der mehrere Materialien gleichzeitig gedruckt werden können. Während die Düse rotiert und sich verschiebt, bilden die extrudierten Tinten ein Filament mit eingebetteten spiralförmigen Merkmalen
Druckkopf mit vier Tintenpatronen
Der Druckkopf besteht aus vier Tintenpatronen, von denen jede verschiedene Materialien enthalten kann. Die Tinten werden dann durch eine komplexe Düse geleitet, mit der mehrere Materialien gleichzeitig gedruckt werden können.
“Unsere Plattform für die additive Fertigung eröffnet neue Wege zur Erzeugung multifunktionaler, architektonisch gestalteter Materie in bio-inspirierten Motiven”, sagt Jennifer Lewis, Hansjorg Wyss Professorin für biologisch inspiriertes Ingenieurwesen am SEAS und Hauptautorin der Studie.
Ihr neuer Druckkopf besteht aus vier Tintenpatronen, von denen jede unterschiedliche Materialien enthalten kann. Die Tinten werden dann durch eine komplexe Düse geleitet, mit der mehrere Materialien gleichzeitig gedruckt werden können. Während die Düse rotiert und sich bewegt, bilden die extrudierten Tinten ein Filament mit eingebetteten spiralförmigen Merkmalen.
“Der Rotations-Multimaterialdruck ermöglicht es uns, funktionale spiralförmige Filamente und strukturelle Gitter mit genau kontrollierter Architektur und letztendlich Leistung zu erzeugen”, so Natalie Larson, Postdoktorandin am SEAS und Erstautorin der Studie.
In Zusammenarbeit mit David Clarke, dem Extended Tarr Family Professor of Materials, druckte das Team künstliche Muskeln in Form schraubenförmiger dielektrischer Elastomer-Aktor-Filamente, die sich unter einer angelegten Spannung zusammenziehen können. Die leitenden Elektroden bilden ineinander verschlungene Helices, die in einer weichen Elastomermatrix eingekapselt sind. Indem man einstellt, wie eng diese schraubenförmigen Elektroden gewickelt sind, kann man die Kontraktionsreaktion dieser Aktoren programmieren.
Das Team entwarf auch strukturelle Gitter mit unterschiedlicher Steifigkeit, indem es steife Spiralfedern in eine weiche, nachgiebige Matrix einbettete – wie Metallfedern in einer weichen Matratze. Die Gesamtsteifigkeit des Materials kann durch Abstimmung der Festigkeit der Federn innerhalb der Matrix eingestellt werden. Diese abstimmbaren schraubenförmigen Strukturen könnten zur Herstellung von Gelenken oder Scharnieren in weichen Robotersystemen verwendet werden.
Der Druckkopf besteht aus vier Tintenpatronen, von denen jede unterschiedliche Materialien enthalten kann. Die Tinten werden dann durch eine komplexe Düse geleitet, mit der mehrere Materialien gleichzeitig gedruckt werden können.
Als Nächstes will das Team die Möglichkeiten dieser neuartigen 3D-Druckmethode nutzen, um noch komplexere Strukturen zu schaffen.
“Durch die Entwicklung und den Bau von Düsen mit extremeren inneren Merkmalen könnten die Auflösung, Komplexität und Leistung dieser hierarchischen bioinspirierten Strukturen weiter verbessert werden”, so Larson.
Die Forschung wurde von Jochen Mueller, Alex Chortos und Zoey Davidson am SEAS mitverfasst. Sie wurde unterstützt von der National Science Foundation unter MRSEC (DMR-2011754), NSF Designing Materials to Revolutionize and Engineer our Future (DMREF-15-33985), dem Vannevar Bush Faculty Fellowship Program, gefördert vom Basic Research Office for the Assistant Secretary of Defense for Research and Engineering durch das Office of Naval Research Grant N00014-21-1-2958, und dem GETTYLAB.
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