Aus diesem Grund ist der 3D-Druck in der Regel ein sehr genau kontrollierter Prozess, hinsichtlich der Art der Bewegung (konstante Beschleunigung und Geschwindigkeit) und der Materialabscheidung. In industriellen Anwendungen wird Material in kleinen Mengen abgeschieden oder verschmolzen. Andererseits betrachtet das Projekt des Centre for Fine Print Research (CFPR) den 3D-Druck auch aus einem künstlerischen Aspekt, wobei der Schwerpunkt auf einer sinnvollen Umsetzung liegt. Eine gute Analogie zum Projekt wäre die Töpferscheibe, wo der Künstler in direktem Kontakt mit dem Ton und mit einem intimen Verständnis für die Zwänge des Zusammenwirkens von Material und Scheibe arbeitet. Hier ist der Künstler in der Lage, etwas mit dem Material auszudrücken und es an seine Grenzen zu bringen, beispielsweise mit schwungvollen Formen oder neue Materialqualitäten wie Transluzenz. Das CFPR verfügt über Hintergrundwissen in den Bereichen Keramik, lichthärtende Harze und Thermoplaste, die alle mit der neuen Roboterplattform untersucht werden. In früheren Arbeiten wurde der 3D-Drucker als Werkzeug zur Manipulation von Materialien oder zur Erzeugung ungewöhnlicher Oberflächenstrukturen evaluiert, anstatt ihn einfach als Maschine zu verwenden, welche digitale Modelle mit einer feinen Auflösung reproduziert.

Der Roboter verwendet Polymilchsäure (PLA) Filament, das nach einer anderen Strategie als in klassischen 3D-Druckern verarbeitet wird. © Mitsubishi

Einen Drucker auf „ungewöhnliche“ Art und Weise zu benutzen, bedeutet, über die Verwendung von CAD-Modellen und Schneidealgorithmen hinauszugehen, da diese zu automatisiert sind. Durch das Schreiben proprietärer Software ist es möglich, Druckverfahren zu entwickeln, bei denen expressiv mit dem Material gespielt werden kann. Um diesen Perspektivwechsel zu erreichen, erforscht das Projekt mit einem Mitsubishi Electric Melfa RV-7FLM-Roboterarm Technologien und Techniken, um Materialien dynamisch zu erfassen und zu manipulieren, anstatt sie auf feste, starre oder „maschinenähnliche“ Weise abzulegen. Der Roboter arbeitet mit Druckerpfaden, die durch proprietäre Software definiert sind und benötigt dafür einen hohen Grad an Automatisierung und Reaktionsfähigkeit in Echtzeit.

„Indem wir 3D-bedruckbare Materialien an ihre Grenzen gebracht haben, konnten wir unerwartete Eigenschaften in den Materialien frei legen“ sagt Paul O‘Dowd, Wissenschaftlicher Mitarbeiter im Bereich Creative Electronics and Engineering. „So kann zum Beispiel die Kunststoffabscheidung im heißen Zustand manipuliert und in feine Fäden gezogen oder gewebt werden.“ Die robotergeschützte Manipulation von Materialen durch komplexe Zustände wie durch das Erfassen und Reagieren auf Viskosität erfordert die Integration mehrerer neuerer Technologien. Der Roboter ermöglicht eine Steuerung in Echtzeit und bietet dafür eine zuverlässige Programmierschnittstelle. Er hat über 900 Millimeter Reichweite und einer großen Bewegungsfreiheit für einen kompakten Roboterarm. Er erlaubt es, Materialien aus allen Richtungen zu manipulieren. Normalerweise sind 3D-Drucker mit drei Linearachsen (XYZ) ausgestattet und die Fertigung erfolgt in festen horizontalen Schichten. Aber der Roboterarm bietet Bewegungsfreiheit und Erweiterungsmöglichkeiten, einschließlich Pneumatik und digitaler I/O, die in den Arm integriert sind.

Die Materialablage des Roboters kann mit Hilfe von CAD-Modellen oder flachen Bildern gesteuert werden. Die Teile erhalten eine einzigartige Textur, indem die Geschwindigkeit der Ablagerung manipuliert wird. © Mitsubishi

Es wird eine eigene Software entwickelt, die schnell und dynamisch auf Veränderungen der Materialeigenschaften und der Konstruktion des Druckobjekts reagieren muss. Das Programm darf nicht starr in der Bedienung sein sondern sie muss ihr Arbeitsumfeld ständig und iterativ interpretieren und ihr Verhalten selbständig korrigieren. Der Mitsubishi Electric-Roboter habe sich als ideales Werkzeug zur Herstellung von Kunstobjekten mit PLA (Polymilchsäure), der in 3D-Druckern verwendet wird, erwiesen. Das Entwicklungsteam nutzte den vollen Bewegungsumfang des Roboters, um das Material über den normalen Betriebsbereich hinaus zu schieben und neue Effekte zu erzeugen.

Die intuitive und einfach zu bedienende Programmierschnittstelle ermögliche eine gute Zusammenarbeit mit der vom Universitätsteam entwickelten Software, die die Abscheidegeschwindigkeit veränderte, um das Material in feine Fasern zu ziehen. Die gleiche Anordnung soll für die Entwicklung künstlerischer Kreationen mit Keramik und lichthärtenden Harzen verwendet werden, deren Produktionsprozess dann auf kommerzielle industrielle Anwendungen zurückgeführt werden kann.