Forscher der Harvard University entwickeln Rotations-Multimaterial-3D-Druckverfahren

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 Rotations-Multimaterial-3D-Druckverfahren entwickelt zur Herstellung spiralförmiger Filamente. Das Verfahren nutzten sie für den Entwurf und die Herstellung künstlicher Muskeln und federnder Gitter für den Einsatz in Softrobotik und strukturellen Anwendungen. Professor Jennifer Lewis und das Harvard Lewis Lab leiteten die Forschung des Teams. Ihre Arbeit veröffentlichten sie in einem Artikel mit dem Titel „Rotational Multimaterial Printing of Filaments with Subvoxel Control“.

Rotational Multimaterial 3D-Druckverfahren

Beim Rotational Multimaterial 3D-Druckverfahren (kurz RM 3DP-Verfahren) verfügt der Druckkopf über vier Tintenkartuschen, die jeweils verschiedene Materialien enthalten können. Die Tinten fließen durch eine komplexe Düse, die mehrere Materialien gleichzeitig bedruckt. Dabei dreht und verschiebt sich die Düse und es entsteht durch die extrudierten Tinten ein Filament mit eingebetteten spiralförmigen Merkmalen. Die Technik baut auf früheren Arbeiten zum Rotations-3D-Druck für Verbundwerkstoffe auf.

Jennifer Lewis, Hansjorg Wyss-Professorin für biologisch inspirierte Technik am SEAS und leitende Autorin der Studie, sagte:

„Unsere Plattform für additive Fertigung eröffnet neue Wege zur Erzeugung multifunktionaler architektonischer Materie in bioinspirierten Motiven.“

Natalie Larson, Postdoktorandin bei SEAS und Erstautorin der Studie, sagte:

„Der Rotations-Multimaterialdruck ermöglicht es uns, funktionale spiralförmige Filamente und Strukturgitter mit präzise kontrollierter Architektur und letztendlich Leistung zu erzeugen.“

Filamente mit spiralförmigem Aufbau

Synthetische Strukturen, die natürliche Systeme nachahmen, wurden bisher durch Wickeln, Verdrehen und Flechten einzelner Filamente, Mikrofluidik, Selbstformung und verschiedene Druckverfahren hergestellt. Es gelang bisher jedoch noch nicht, Filamente mit spiralförmigem Aufbau aus mehreren Materialien mit Subvoxel-Steuerung in beliebigen zweidimensionalen (2D) und dreidimensionalen (3D) Motiven aus einer breiten Palette von Materialien gleichzeitig zu erzeugen und zu strukturieren. Die in dieser Studie entwickelte neue Rotations-Multimaterial-3D-Druckplattform (RM-3DP) ermöglicht die Subvoxel-Steuerung der lokalen Ausrichtung von azimutal (in Bezug auf den Winkel über einer Ebene) heterogen aufgebauten Filamenten.

Mit einer Multimaterialdüse mit einem kontrollierten Verhältnis von Winkel- zu Translationsgeschwindigkeit haben die Forscher spiralförmige Filamente mit programmierbarem Steigungswinkel, Schichtdicke und Grenzfläche zwischen mehreren Materialien innerhalb eines bestimmten zylindrischen Voxels erzeugt. Mit dieser Methode haben die Forscher funktionelle künstliche Muskeln geschaffen, die aus helikalen dielektrischen Elastomer-Aktuatoren mit hoher Wiedergabetreue und individuell adressierbaren leitfähigen helikalen Kanälen eingebettet in eine dielektrische Elastomermatrix bestehen.

Hierarchische Gitter

Die Forscher haben außerdem hierarchische Gitter hergestellt, die aus konstruierten spiralförmigen Streben bestehen, die steife Federn in einer nachgiebigen Matrix enthalten. Damit sollen neue Wege zur Erzeugung multifunktionaler architektonischer Materie in bioinspirierten Motiven eröffnet werden. Als nächstes will das Team die Fähigkeiten dieses neuartigen 3D-Druckverfahrens nutzen, um noch komplexere Strukturen zu schaffen.

Larson sagte:

„Durch das Entwerfen und Bauen von Düsen mit extremeren inneren Merkmalen könnten die Auflösung, Komplexität und Leistung dieser hierarchischen bioinspirierten Strukturen weiter verbessert werden.“

Videovorstellung Multimaterial-3D-Druck (Video)