Exploring Gecko-Inspired Dry Adhesion with Consumer-Grade 3D Printing Technology: Design, Prototyping, and Performance Analysis

Abstract

Denne studien hadde som mål å avgjøre om kommersielt tilgjengelige 3D-printere, i dette tilfellet Prusa SL1S, er egnet for å skape klebende strukturer som etterligner egenskapene gekkoføtter har. Wayfaring metoden resulterte i flere designprototyper, med BASF FL300 resin som materialvalg. Tradisjonell slicing av CAD modeller ble brukt for noen strukturer, men utforskningsstadiet viste måter å manuelt slice geometrien for å ha mer kontroll over printingen av spesifikke strukturer. Strukturer som sylindriske stolper, hierarkiske strukturer, lameller og sylindere med vinklede tupper ble produsert.

Ved testing med både flate og sfæriske kontaktflater ser man en trend av klebning med styrke avhengende av nedpressing. Det ble tydelig at utformingen og oppsettet av prøvens overflatestrukturer i stor grad påvirket klebeevnen avhengig av kontaktflaten. En generell trend var at høyere strukturer fester seg bedre til ikke-planare overflater. Strukturer med varierende geometri på tuppen viste tregere slipp og dårligere klebeevne.

Tester i forhold nær vakuum, designet for å undersøke sugekoppeffektens rolle i adhesjon, viste resultater som var konsistente med de under atmosfæriske forhold. Dette, sammen med en diskusjon om kapillærkrefters rolle, tyder på at van der Waals-krefter, slik som hos gekkoer, var den primære klebemekanismen.

Overflatestrukturer laget for å etterligne gekkoens retningsbestemte klebning viste også lovende resultater, og utvider de mulige bruksområdene for de klebende strukturene.

Fra å teste en prøve over flere repetisjoner så ble det observert en forverring i klebeevnen, men det ble observert at en vask med isopropanol tilbakestilte den effekten.

Avslutningsvis bekrefter denne forskningen at kommersielt tilgjengelige, forbrukerklasse resin 3D-printere kan brukes til å produsere gekko-inspirerte klebende strukturer. Derimot så trengs videre forskning for å få et komplett bilde over hvordan 3D printing best kan brukes innen dette feltet.

This study aimed to determine if commercially available 3D printers, specifically the Prusa Sl1S, are feasible for creating adhesive structures mimicking the properties of gecko feet. The wayfaring method led to several design prototypes, with the BASF FL300 resin as the main material choice. Traditional slicing of CAD models was used for some samples, but the exploration revealed ways of manually slicing the part to obtain more control for printing specific samples. Designs including cylindrical pillars, hierarchical structures, lamellas and cylinders with angeled tips were produced.

When testing with both flat and spherical probes, there is a clear trend that adhesion is present with magnitude depending on the preload force. It became evident that the design and layout of the sample's surface structures significantly influenced adhesion capabilities depending on the target surface. A general trend was that taller structures adhere better to non-planar surfaces. Samples with varying shaped cylinder tips within the same sample displayed a slower release and a lower adhesion.

Tests in near-vacuum conditions, designed to examine the role of the suction cup effect in adhesion, showed results consistent with those in atmospheric conditions. This, together with a discussion of capillary forces, suggests that van der Waals forces, similar to those in gecko adhesion, were the primary adhesion mechanism.

Designs made to mimic the gecko's directional adhesion also showed promising results, expanding the potential applications for the adhesive.

By testing multiple repetitions of the same sample, the adhesion worsens over the repetitions, but it was observed that an IPA wash resets this effect.

In conclusion, this research confirms that commercially available, consumer-grade resin 3D printers can be used to produce gecko-inspired adhesive structures. However, further research and exploration are necessary to get a more complete picture of how 3D printing can be best used in this field.