Forscher der Singapore University of Technology and Design (SUTD) haben einen innovativen Ansatz für den 3D-Druck bioinspirierter Strukturen entwickelt. Unter der Leitung von Associate Professor Pablo Valdivia y Alvarado befasst sich das Team mit der Verbesserung von additiven Fertigungsmethoden, insbesondere mit dem 3D-Druck von leichten, mechanischen Metamaterialien. Diese Materialien könnten zukünftig in der Robotik, tragbaren Technologien und anderen Hightech-Anwendungen Einsatz finden.
Die gängigen 3D-Druckverfahren, bei denen Material schichtweise durch eine Düse aufgetragen wird, stoßen bei langsam aushärtenden Materialien wie Silikonen, Epoxiden und Polyurethanen an ihre Grenzen. Solche Materialien werden oft für komplexe, von der Natur inspirierte Strukturen wie Gitter und Netzwerke genutzt. Die Herausforderung liegt dabei nicht nur in der Materialhärtung, sondern auch in ineffizienten Werkzeugpfaden, die längere Druckzeiten verursachen.
Das Team der SUTD entwickelte eine Methode, um diese Werkzeugpfade zu optimieren. Durch die Aufteilung der 3D-Modelle in Punkte und einfache Formen konnten die Forscher sowohl segmentierte als auch kontinuierliche Werkzeugpfade verwenden. Diese Methode reduziert unnötige Unterbrechungen und sorgt für flüssigere Druckabläufe.
Veröffentlicht wurde die Studie unter dem Titel „Architected Design and Fabrication of Soft Mechanical Metamaterials„.
Verbesserte Materialien und Anwendungen
Neben der Optimierung der Druckpfade untersuchte das Team auch die Eigenschaften der Druckmaterialien. Durch die Modifikation von drei handelsüblichen Silikonmaterialien mit dem Zusatzstoff Thivex entstanden neun neue Materialkombinationen, die sich besser für den Direkt-Tintenauftrag (Direct Ink Writing) eignen.
Anschließend testeten die Wissenschaftler ihre Methode durch den Druck verschiedener bioinspirierter Strukturen, darunter Zilien, Netze, blattähnliche Formen und Gitterstrukturen. Die Ergebnisse zeigen das Potenzial dieser Ansätze: Mit den 3D-gedruckten Zilien konnten beispielsweise Saugnäpfe verbessert werden, was zu einer Steigerung der Haftkraft führte. Gitterstrukturen dienten als stoßdämpfende Elemente und reduzierten die maximale Aufprallkraft um bis zu 85 %.
Zukünftige Anwendungsbereiche
Obwohl die Forschung noch in den Anfängen steckt, sieht Associate Professor Valdivia y Alvarado großes Potenzial in der Methode. Besonders für die Entwicklung maßgeschneiderter Hochleistungsdesigns könnten additive Fertigungsprozesse traditionelle Herstellungsverfahren ergänzen. Zukünftige Pläne des Teams umfassen die Skalierung der Technologie, die Senkung der Produktionskosten sowie die Ausweitung auf Multimaterial-Druck, um sogenannte „engineered metamaterials“ herzustellen. Zudem könnten maschinelles Lernen und KI dabei helfen, die Materialeigenschaften präzise an die Anforderungen der Endanwendung anzupassen.
Diese Fortschritte könnten Anwendungen in der Robotik, in tragbaren Schutzausrüstungen und in anderen Bereichen ermöglichen, in denen leichte, anpassbare Strukturen gefragt sind.
