Rotationsbasiertes 3D-Druckverfahren erzeugt programmierbare weiche Filamente

Rotationales Multimaterial-3D-Drucken. Standard-3D-Druck ist ein lineares Verfahren.

Das Lewis-Labor verwendete jedoch eine Technik namens rotationales Multimaterial-3D-Drucken, um Filamente zu erzeugen, die die Bewegung biologischer Muskeln nachahmen. Interessanterweise verfügt das System über eine rotierende Düse, die zwei verschiedene Materialien durch diesen rotierenden Kopf extrudiert und pumpt.

Eines davon ist „aktiv“ und das andere ist „passiv“, innere Struktur erzeugt werden. Das aktive Material, ein Flüssigkristall-Elastomer (LCE), ist ein Schlüsselpolymer, das sich beim Erhitzen physisch zusammenzieht.

Andererseits bleibt das passive Material (ein

Andererseits bleibt das passive Material (ein weicher Elastomer) stationär. Wenn Hitze auf das fertige Filament angewendet wird, zwingt der innere Tauzirkus zwischen dem schrumpfenden LCE und dem starren passiven Elastomer den gesamten Strang, sich zu biegen, zu verdrehen oder zu spiralisieren.

Dieser Prozess erzeugt eine helikale Ausrichtung, die bestimmt, wie der Strang sich biegen oder verdrehen wird; beim Erhitzen zieht das aktive Material gegen den Widerstand des passiven Führungselements zusammen und löst so eine vorbestimmte, komplexe Formänderung ohne manuelle Montage aus.

„Das Ergebnis ist ein Filament, dessen natürliche Krümmung und Verdrehung bei Aktivierung während des Drucks vorprogrammiert sind – es ist keine Montage mehrerer Schichten oder mechanische Nachbearbeitung erforderlich.

Die Rotationsgeschwindigkeit während des Drucks hat

Die Rotationsgeschwindigkeit während des Drucks hat einen starken Einfluss darauf, wie sich einzelne Filamente beim Erhitzen formverändern“, merkte das Team an.

Einsatz in der Soft-Robotik Durch Zusammenarbeit mit Experten für Mechanik und molekulare Ausrichtung konnten die Verhaltensweisen dieser Materialien durch fortschrittliche Röntgenstreuung validiert und vorhergesagt werden.

Mit der Etablierung der Einzelfilament-Programmierung dienten diese Stränge als Bausteine für komplexe, architektonisch gestaltete Strukturen, wie sinusförmige Filamente. Interessanterweise entwickelten Forscher funktionale Prototypen, wie temperaturabhängige aktive Filter und Mehrfachgreifer.

Die Bewegung dieser Strukturen wird durch

Die Bewegung dieser Strukturen wird durch die Position des aktiven Elastomers bestimmt: Das Platzieren auf der äußeren Kurve lässt das Gitter expandieren und öffnen, während das Platzieren auf der inneren Kurve dazu führt, dass es sich zusammenzieht und greift.

Diese programmierbare Architektur ermöglicht den Übergang ängen zu komplexen Geräten, die in der Lage sind, Partikel präzise einzufangen oder mehrere Gegenstände gleichzeitig zu manipulieren.

Nach dieser anfänglichen Entwicklung konzentrieren sich die Skalierungsbemühungen derzeit auf die Miniaturisierung – wobei maßgeschneiderte Düsen und spezielle Tinten bereits Filamente 100 Mikron erzeugen. Zukünftige Entwicklungen zielen darauf ab, diese Größe noch weiter zu reduzieren und gleichzeitig multifunktionale Komponenten zu integrieren.

Holz als technisches Geruest

„Was die Skalierbarkeit betrifft, so könnten in Zukunft komplexere Düsen erstellt werden, die sich mit anderen Materialien verbinden – wie beispielsweise ein Flüssigmetallkanal zur Ermöglichung der Betätigung oder die Integration anderer Funktionalitäten“, sagte der Doktorand und Mitautor Jackson Wilt.

Obwohl Flüssigkristel-Elastomere noch in einem frühen Stadium der industriellen Anwendung sind, wird erwartet, dass dieses neue Druck-Framework künstliche Muskeln in praktische Anwendungen wie die Soft-Robotik, Energieabsorption und Biomedizin überführen wird.

Die Technologie könnte die Erstellung für die empfindliche Manipulation mehrerer Objekte und temperaturregelbaren Ventilen zur Flüssigkeitskontrolle ermöglichen.

Besonders hervorzuheben ist das Potenzial , selbstverriegelnden Filamenten, das eine vielversprechende Lösung für biomedizinische Anforderungen darstellt. Die Ergebnisse wurden im Journal Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.