Eine neue Tinte für den 3D-Druck von flexiblen und leichten Objekten
Eine Tinte auf Elastomerbasis, die für den 3D-Druck von Objekten mit variablen mechanischen Eigenschaften eingesetzt wird, könnte als Grundlage für die Herstellung einer neuen Generation von flexiblen Aktuatoren und Robotern dienen. Sperrige mechanische Gelenke werden dadurch überflüssig.
Weiche Roboter oder am Körper tragbare Geräte sollen leicht sein – das ist für Ingenieurinnen und Ingenieure eine ständige Herausforderung: Schwerere Materialien erfordern mehr Energie, um bewegt zu werden, und im Fall von am Körper tragbaren Geräten oder Prothesen verursachen sie körperliche Beschwerden. Elastomere sind synthetische Polymere, die mit einer Reihe von mechanischen Eigenschaften von Steifigkeit bis Dehnbarkeit hergestellt werden können. Deshalb sind sie für solche Anwendungen gut geeignet. Bisher war die Produktion von Elastomeren, die zu starren oder gummiartigen komplexen 3D-Strukturen geformt werden konnten, jedoch nicht realisierbar.
«Elastomere werden normalerweise gegossen, sodass ihre Zusammensetzung in allen drei Dimensionen über kurze Längenskalen nicht verändert werden kann. Um dieses Problem zu lösen, haben wir DNGE entwickelt: 3D-druckbare, doppelt vernetzte granuläre Elastomere, deren mechanische Eigenschaften zu einem bisher beispiellosen Grad variieren können», erklärt Esther Amstad, Leiterin des Labors für weiche Materialien (SMaL) an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der EPFL.
Eva Baur ist Doktorandin im Labor von Esther Amstad und hat DNGE zum Drucken des Prototyps eines «Fingers» mit starren «Knochen», die von weichem «Fleisch» umgeben sind, verwendet. Der Finger wurde so gedruckt, dass er sich auf eine vordefinierte Weise verformen kann. Daran zeigt sich das Potenzial der Technologie zur Herstellung von Objekten, die ausreichend biegsam sind, um sich zu beugen und zu dehnen, aber fest genug bleiben, um Gegenstände zu manipulieren.
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler glauben, dass DNGE aufgrund dieser Vorteile die Entwicklung von flexiblen Aktuatoren, Sensoren und am Körper tragbaren Geräten ohne schwere und sperrige mechanische Gelenke ermöglichen könnten. Ihre Forschungsarbeiten wurden in der Zeitschrift Advanced Materialsveröffentlicht.
Zwei Netzwerke, doppelte Vielseitigkeit
Der Schlüssel zur Vielseitigkeit der DNGE liegt darin, dass zwei Elastomer-Netzwerke konzipiert wurden. Erst werden Elastomer-Mikropartikel aus Tropfen einer Öl-in-Wasser-Emulsion hergestellt. Diese Mikropartikel werden in eine Vorläuferlösung eingebracht, wo sie elastomere Verbindungen aufnehmen und aufquellen. Anschliessend werden die aufgequollenen Mikropartikel zur Herstellung einer Tinte für den 3D-Druck verwendet, die in einen Bio-Drucker geladen wird, um die gewünschte Struktur zu erzeugen. Die Vorläuferlösung wird in die 3D-gedruckte Struktur einpolymerisiert, wodurch ein zweites Elastomer-Netzwerk entsteht, welches das gesamte Objekt versteift.
Die Zusammensetzung des ersten Netzwerks bestimmt die Steifigkeit der Struktur, die des zweiten seine Zähigkeit. Die beiden Netzwerke können also unabhängig voneinander angepasst werden, um Steifigkeit, Zähigkeit und Ermüdungsfestigkeit zu erreichen. Die Verwendung von Elastomeren anstelle von Hydrogelen, die in modernen Ansätzen verwendet werden, hat den zusätzlichen Vorteil, dass die Strukturen ohne Wasser hergestellt werden können, was sie im Zeitverlauf stabiler macht. Darüber hinaus können DNGE mit handelsüblichen 3D-Druckern gedruckt werden.
Der Vorteil unseres Ansatzes besteht darin, dass er von jeder Person mit einem Standard-Bio-Drucker verwendet werden kann.
Bewegungsgesteuerte Rehabilitationsgeräte könnten ein interessantes Anwendungsfeld für DNGE sein. Dabei könnte sich die Möglichkeit als äusserst nützlich erweisen, die Bewegung in eine Richtung zu unterstützen und in eine andere Richtung zu begrenzen. Die Weiterentwicklung der DNGE-Technologie könnte zur Entwicklung von Prothesen oder sogar Bewegungshilfen führen, die Chirurginnen und Chirurgen bei ihrer Arbeit unterstützen. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Erkennung von Bewegungen aus der Ferne, zum Beispiel bei der robotergestützten Ernte oder der Unterwasserforschung.
Laut Esther Amstad arbeitet das Labor für weiche Materialien bereits an den nächsten Schritten zur Entwicklung dieser Anwendungen. Hierzu sollen unter anderem aktive Elemente, wie reaktive Materialien und elektrische Verbindungen, in die DNGE-Strukturen integriert werden.
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