BASF und UC-San Diego haben eine innovative Methode für die 3D-Druckfertigung von pneumatischen Soft-Robotern mit integrierten Steuerungsschaltkreisen entwickelt.
Durch den Einsatz von FFF-Drucktechnologie und spezieller Konstruktion konnten hochfunktionale und komplexe Greifvorrichtungen hergestellt werden, die eine sichere Zusammenarbeit zwischen dem Roboter und Menschen ermöglichen.
Der monolithische 3D-Druckprozess erlaubt eine schnelle und effiziente Herstellung autonomer pneumatischer Geräte mit vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten in Bereichen wie Fertigung und Landwirtschaft.
BASF und UC-San Diego realisieren bahnbrechende 3D-Druckmethode für pneumatische Soft-Roboter mit integrierten Steuerungsschaltkreisen.
Monolithischer pneumatischer Soft-Roboter mit integrierter Steuerung, hergestellt durch innovative 3D-Drucktechnologie; Bild: BASF
Eine weltweite Zusammenarbeit zwischen BASF und der University of California (UC) San Diego hat zu einer bahnbrechenden Methode für die monolithische 3D-Druckfertigung von pneumatischen Soft-Robotern mit Sensoren und Rückmeldungen geführt.
Das Forschungsprojekt, unterstützt durch die BASF California Research Alliance (CARA), wurde von Yichen Zhai, Albert de Boer, Martin Faber, Rohini Gupta und Michael T. Tolley geleitet und führte zur erfolgreichen Herstellung hochfunktionaler, komplexer Greifvorrichtungen mit integrierten fluidischen Steuerungsschaltkreisen.
Diese innovativen Greifvorrichtungen wurden mit Ultrafuse® TPU mittels Fused Filament Fabrication (FFF) gefertigt und ermöglichen eine sichere Zusammenarbeit zwischen dem weichen Roboter und Menschen.
Die meisten Soft-Roboter werden pneumatisch angetrieben und durch aufwendige Formgebungs- und Montageprozesse hergestellt, die viele manuelle Arbeitsschritte erfordern und die Komplexität begrenzen. Der dreidimensionale 3D-Druck bietet als Alternative mit weniger manueller Arbeit und der Möglichkeit zur Erzeugung komplexerer Strukturen einen zugänglichen Ansatz.
Aufgrund von Material- und Prozessbeschränkungen weisen FFF-gedruckte Soft-Roboter jedoch oft eine hohe effektive Steifigkeit auf und weisen viele Lecks auf, was ihre Anwendungsmöglichkeiten einschränkt. Um dieses Problem zu lösen, entwickelte das Team eine innovative Konstruktion zur Herstellung luftdichter pneumatischer Robotergeräte, bei der gleichzeitig Aktuatoren mit eingebetteten fluidischen Steuerungskomponenten gedruckt werden.
Sie demonstrierten diesen Ansatz, indem sie Aktuatoren druckten, die um den Faktor zehn weicher waren als zuvor mit FFF gedruckte und sich zu einem vollständigen Kreis biegen konnten. Ebenso wurden pneumatische Ventile gedruckt, die einen Hochdruckluftstrom bei niedrigem Steuerdruck kontrollieren.
Durch die Kombination von Aktuatoren und Ventilen konnte das Team einen monolithisch gedruckten, elektronikfreien autonomen Greifer demonstrieren, der sowohl die Luftdichtigkeit und die weiche Aktuationsleistung jedes Komponenten beibehielt als auch in einem 3D-Druckprozess in einer einzigen Durchführung innerhalb von 16 Stunden und 19 Minuten hergestellt werden konnte.
Der gesamte Herstellungsprozess des Greifers erforderte keine Nachbehandlung, Montage oder Reparatur von Herstellungsfehlern, was diesen Ansatz hoch wiederholbar und zugänglich macht.
Ein ähnlicher Ansatz könnte auf die Gestaltung und Herstellung verschiedener pneumatischer Geräte mit integrierten Sensor- und Steuerungsschaltkreisen angewendet werden. Die erste wichtige Designregel zur Erzielung luftdichter Strukturen besteht darin, sie mit einem einzigen kontinuierlichen Werkzeugweg für jedes weiche pneumatische Gerät zu drucken, bekannt als Eulerischer Pfad.
Eine zweite wichtige Designregel besteht darin, Strukturen mit sehr dünnen Wänden zu erzeugen, die etwa zwei Schichten dick sind und somit eine geringe Steifigkeit aufweisen, vergleichbar mit Silikonformteilen.
Der monolithische autonome Greifer, der in einem ununterbrochenen 3D-Druckprozess hergestellt wurde, war sofort einsatzbereit. Der Greifer wurde entwickelt, um Objekte autonom aufzunehmen und freizugeben und könnte ein nützliches Manipulationswerkzeug in verschiedenen Anwendungen wie Fertigung und Landwirtschaft sein.
Im Herstellungsprozess waren keine manuellen Arbeitsschritte wie Montage oder Anpassung erforderlich, was darauf hinweist, dass der Prozess und das Design leicht reproduzierbar sind. Mit diesen vordefinierten Werkzeugpfadregeln entsprachen alle Teile und das kombinierte System dem gleichen Druckstandard, um die Arbeitsleistung und Luftdichtigkeit aufrechtzuerhalten.
Basierend auf der Fertigungsmethode sowie den Aktuator- und Ventildesigns demonstrierte das Team einen einzigartigen Ansatz, der durch den 3D-Druck ermöglicht wird. Die im Rahmen dieser Zusammenarbeit von BASF und UC-San Diego entwickelten Designregeln führten zur erfolgreichen Herstellung luftdichter, hochleistungsfähiger autonomer pneumatischer Geräte. Durch verschiedene Kombinationen dieser "Bausteine" können maßgeschneiderte komplexe Roboter in monolithischen Druckprozessen entworfen und hergestellt werden.
.jpg)