Wir haben seit langem eine Leidenschaft bei 3DPrint.com für Kirigami-Formen, sei es in Form von Verbänden, Nanofabrikation oder Sensoren. Wir haben auch viel über Metamaterialien geschrieben und, neuerdings, über das 3D-Drucken auf Zylindern, um bestehenden Formen hinzuzufügen oder neue Geometrien zu erzeugen. Also ist etwas, das all diese Dinge kombiniert, für uns von Interesse.
Ein neues Open-Access-Paper, veröffentlicht in Progress in Additive Manufacturing, „Conformal morphing meta-cylinders 3D printing for mechanical intelligence programming“, eröffnet eine neue Klasse nützlicher Formen. Das Paper von Ali Zolfagharian, Moslem Mohammadi, Eui-Hyun Kim und Keun Park von Deakin University und Seoul National University of Science and Technology beschreibt, wie Desktop-3D-gedruckte Zylinder mit unterschiedlichen Formen, Moduli und Energieabsorption programmiert werden können. Die Formen können sich zudem in verschiedene Zustände verwandeln. Die resultierenden nachgiebigen Mechanismen (wie das Dehnen und die Form, die den Deckel Ihrer Pringles-Dose schließen und öffnen) können ein breites Aufgabenspektrum bewältigen. Rohre, die so funktionieren, sind offensichtliche Kandidaten für den Einsatz als Stents, könnten aber auch als Aktuatoren oder Stoßdämpfer dienen.
3D-gedruckter Meta-Zylinder mit einer programmierbaren Gitterstruktur. Bildcourtesy von Zolfagharian et al.
Das resultierende Bauteil ist ein multistabiler Meta-Zylinder, weil er schnell in mehrere programmierbare Soll-Zustände einrasten kann. Variablen wie die Zellenform, Wandstärke und Durchmesser können unterschiedliche Anforderungen erfüllen. Wie bei anderen Beispielen druckt der Drucker hier auf eine rotierende Welle. Das reduziert die Montage, kann aber auch genutzt werden, um die Festigkeit zu optimieren, während die Innenfläche sehr glatt wird.
Vergleiche der FEAs von rotierend-gedruckten Meta-Zylindern mit drei unterschiedlichen Durchmessern. Bildcourtesy von Zolfagharian et al.
Das Team sagt, dass der „Ansatz Morphologie effektiv als mechanisches Programm nutzt. Der im-Druck-Zustand verhält sich wie eine vergleichsweise steife Hülle mit ausgeprägten Snap-Through-Ereignissen, während der ausgeweitete Zustand weicher und nachgiebiger wird“, und dass durch die Kombination von geschlossenen und ausgeweiteten Zylindern die erzeugten Baugruppen sequenzielle „soft-medium-hard“ Kollaps-Reaktionen zeigten, wobei verschiedene Schichten zu unterschiedlichen Belastungsstufen aktiv werden. Das ermöglicht, Steifigkeit und Energieabsorption zu bestimmen, ohne das Grundmaterial zu ändern. Das ist ein sehr interessanter Ansatz, und man kann sich vorstellen, wie man einen Stoßdämpfer dieser Art in ein Hydraulik-Bauteil oder eine Art Kolben verwandeln könnte. Man könnte auch ein Dämpfungselement oder eine Art intelligente Helmmütze herstellen, die Aufprälle absorbiert und mit beträchtlichen spezifischen Impakten einrastet.
Ein kommerzieller FDM-3D-Drucker mit einem Rotationsmodul: der 3-in-1 Snapmaker 3D-Drucker. b Das Rotationsmodul-Setup, das für nicht-planare 3D-Drucke verwendet wird. Bildcourtesy von Zolfagharian et al.
Was ich daran liebe, ist, dass sie im Grunde einen 3-in-1 Snapmaker 3D-Drucker in einen Rotationsdrucker umgebaut haben. Das bedeutet, wenn Sie einen Helm oder einen Stoßdämpfer für ein Mountainbike herstellen möchten, könnten Sie das auf Ihrem heimischen 3D-Drucker tun. Oder stellen Sie sich vor, Sie wollen eine neue Art Lenker für ein Fahrrad herstellen, die sich ganz leicht am Fahrrad einrasten lässt, oder Sie möchten, dass er zwei Zustände hat: super bequem und super griffig. Sie könnten einen Drucker speziell für die Herstellung Ihrer eigenen Lenker mit Standard-Desktop-Maschinen bauen. Und dann können Sie einen Lenker mit zwei unterschiedlichen Zuständen für komfortables Fahren oder für Momente, in denen Präzision zählt, herstellen. Ich liebe die Idee, dass Desktop-Maschinen für spezifische Produkte und industrielle Anwendungen angepasst werden.
In diesem Fall hat das Team die Formen in Rhino mit Grasshopper erstellt, sie in Cura geslicet und den G-Code angepasst, damit er im Rotationsmodus läuft. Alle Drucke sind mit 100 % Füllung aus ESUN eTPU-95 A. Das Design ist recht komplex, und ich denke, die korrekte Konstruktion der auxetischen Dreiecksformen und die Definition, wie sie aufgebaut werden, ist der schwierige Teil. Ein interessanter Aspekt ist, dass die Ausdehnung in der Mitte wulstet, während die Enden relativ klein bleiben. Das könnte genutzt werden, um sehr spezifische Aktuator-, Pump- oder Kolbendesigns zu entwickeln sowie gezielte Aufprall-Absorptions-Aufgaben zu erfüllen. Aber ich denke, es wäre schwierig, das zu modellieren und zu bestimmen, wie Geometrie, Wandstärke usw. im Laufe der Zeit in Ihrem Endteil wirken. Trotzdem liebe ich das Potenzial davon. Ich bin überzeugt, dass dies ein sehr kosteneffizienter Weg sein könnte, viele sehr interessante Teile zu produzieren.
Mit der Verbesserung von TPU und anderen flexiblen Materialien, besseren Druckern und dem Ausbau von Druckfarmen können solche Anpassungen wirklich bedeutend sein. Ich kann gut nachvollziehen, wie jemand dieses neue Vokabular aufnehmen und sehr nützliche Dinge in großem Maßstab damit herstellen könnte.
