Wenn wir an Reißverschlüsse denken, denken wir an eine 2D-Struktur, die es Benutzern ermöglicht, zwei Teile eines Kleidungsstücks zu schließen. Wenn Sie einen Schieber zwischen zwei Reihen gegenüberliegender Zähne nach oben und unten ziehen, lässt sich der Reißverschluss reibungslos schließen und öffnen. Die Anwendung des gleichen Konzepts auf einen dreiseitigen Verschluss würde zu einem 3D-Reißverschluss führen, der zum schnellen Schließen oder Öffnen von Strukturen verwendet werden könnte, die von einem solchen Mechanismus profitieren könnten. Ein solches Gerät wird „Y-Reißverschluss“ genannt und existierte bis vor Kurzem nur als Konzept. Der ursprüngliche Y-Reißverschluss, der vor über 40 Jahren demonstriert und patentiert wurde, war nicht einfach herzustellen. Aber die heutige 3D-Drucktechnologie hat es Forschern am Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL) des MIT ermöglicht, sie wieder zum Leben zu erwecken und das Y-Reißverschluss-Konzept in ein Produkt zu verwandeln, das eines Tages in großem Maßstab für bestimmte Szenarien hergestellt werden könnte.
Laut MIT News war William Freeman 1985 Elektroingenieur bei Polaroid, als er an einem Wettbewerb des Innovative Design Fund teilnahm. Der Preis betrug 10.000 US-Dollar für Erfindungen im Zusammenhang mit Kleidung und Textilien. Die Richter lehnten Freemans Vorschlag ab, aber der Ingenieur behielt den schwierig herzustellenden Prototyp und ließ die Erfindung patentieren. Mehr als 40 Jahre später ist Freeman Professor am MIT und andere MIT-Ingenieure haben eine einfachere Methode entwickelt, um seinen dreiseitigen Reißverschluss mithilfe der 3D-Drucktechnologie herzustellen.
Jiaji Li, Forscher am MIT CSAIL und Hauptautor der modernen Version des Y-Reißverschlusses, und sein Team haben die Software entwickelt, die es 3D-Druckern ermöglicht, 3D-Reißverschlusskomponenten zu erstellen, die mithilfe eines 3D-Cursors präzise verbunden werden können. Der resultierende dreiseitige Reißverschluss wird zu einem Objekt, dessen Steifigkeit sich mit der Bewegung des Aktuators ändert.
Was kann der Y-Reißverschluss?
Laut MIT ähnelt der Y-Reißverschluss bei Nichtgebrauch einem Tintenfisch. Seine drei Arme können mit Tentakeln verglichen werden. Sie sind flexibel und locker, da jede Seite für sich genommen wenig Steifigkeit bietet. Wenn sich der Aktuator jedoch anhebt, um den dreiseitigen Reißverschluss zu schließen, passen die Zähne auf allen drei Seiten zusammen und erzeugen eine starre Struktur. Die Software ermöglicht es dem 3D-Drucker, je nach Verwendungszweck Y-Reißverschlüsse in unterschiedlichen Formen zu erstellen.
Die Wissenschaftler demonstrierten Konzepte für den Y-Reißverschluss zur Bildung einer starren vertikalen Stange, die als Bein in einem Roboter verwendet werden könnte, der durch komplexes Gelände navigieren muss. Ein Konzeptroboter mit vier Beinen mit Y-Reißverschluss konnte seine Höhe reduzieren, um unter Hindernissen hindurchzupassen, oder sie vergrößern, um über Steine auf dem Boden zu treten. Ein anderes Konzept sah ein medizinisches Gerät zur Unterstützung eines gebrochenen Handgelenks vor. In diesem Szenario wurde einer der drei Teile des Y-Reißverschlusses in 3D in eine Handgelenkshülle gedruckt, sodass diese flexibel bleibt und die Bewegung des Handgelenks während des Tages unterstützt. Nachts verband der Benutzer die beiden anderen Teile des Y-Reißverschlusses mit einem Schieber und verwandelte so den Ärmel in eine starre Stütze, die das heilende Handgelenk schützte.
Ein drittes Konzept zeigte eine Y-Reißverschluss-Struktur, die einem Zelt hinzugefügt wurde. Für den Aufbau eines einfachen Zeltes benötigte ein Nutzer statt der üblichen sechs Minuten nur 80 Sekunden. Durch das Hinzufügen von vier motorisierten Aktuatoren zu den vier Y-Reißverschlüssen könnte die Montagezeit auf weniger als 60 Sekunden verkürzt werden. Schließlich zeigten die Forscher auch das Potenzial der Verwendung von Y-Reißverschlüssen für Kunstinstallationen, bei denen Objekte ihre Form oder Steifigkeit ändern müssen, wie im Blumenexperiment im Video oben gezeigt.
Wie sieht es mit Nachhaltigkeit aus?
2D-Reißverschlüsse an Kleidungsstücken sind relativ langlebig, können jedoch mit der Zeit beschädigt werden und müssen ersetzt werden. Bei 3D-gedruckten Y-Reißverschlüssen ist die Haltbarkeit möglicherweise noch wichtiger. Beispielsweise müssen die flexiblen Y-Reißverschluss-Beine eines Roboters, der bei Erkundungs- oder Such- und Rettungsmissionen eingesetzt werden kann, langlebig genug sein, damit der Roboter große Distanzen zuverlässig zurücklegen kann. MIT-Forscher experimentierten mit zwei Arten von Kunststoffen, die im 3D-Druck verwendet werden: Polymilchsäure (PLA) und thermoplastisches Polyurethan (TPU). Ersteres eignete sich besser für schwerere Lasten, während letzteres weicher war. Sie führten außerdem ein Experiment durch, bei dem sich ein Aktuator kontinuierlich öffnete und schloss, um die Haltbarkeit des Geräts zu testen. Nach 18.000 Zyklen ist der Y-Reißverschluss kaputt gegangen.
Diese Tests deuten darauf hin, dass 3D-gedruckte Y-Reißverschlüsse aus Kunststoff für bestimmte Anwendungen geeignet sein könnten, beispielsweise um einer medizinischen Hülle mehr Steifigkeit zu verleihen. Für andere Anwendungen sind jedoch möglicherweise haltbarere Materialien erforderlich, um zu verhindern, dass dreiseitige Reißverschlüsse nicht richtig funktionieren und ihre Steifigkeit verlieren. MIT-Forscher erwägen Metall als potenzielles Material für Y-Reißverschlüsse, obwohl unklar ist, wie ein Metallmodell entworfen werden würde. Der 3D-Druck ist die Schlüsseltechnologie zur Herstellung der Y-Reißverschlusskomponenten, da die Software dafür sorgt, dass die drei Reißverschlusskomponenten in ihrer Geometrie und auf den Millimeter genau passen und dass sich die Zähne bei der Bewegung des Schiebers präzise anpassen.
Die perfekte Übereinstimmung hängt auch von einem Faktor ab, den Wissenschaftler nicht kontrollieren konnten: der Umwelt. Die Forscher stellten sich den Einsatz dreiseitiger Reißverschlüsse in der Luft- und Raumfahrt vor, die als Tentakel zum Greifen von Gegenständen in der Nähe eines Raumfahrzeugs verwendet werden könnten. In einem solchen Szenario könnten Trümmer ein Problem darstellen, da sie die Komprimierungs- und Dekomprimierungsprozesse beeinträchtigen könnten.