4D-Druck: Bewegliche Objekte mit kontrollierbaren Formänderungen

Sabine Berger Autorin, Hemd & Hoodie

Mit 4D-Druck können Forscher flache, bewegliche Objekte herstellen, die sich zu einem späteren Zeitpunkt zu dreidimensionalen Objekten entfalten lassen.

3D-Druck revolutionierte in den vergangenen Jahren viele Industriezweige, da er beispielsweise im Maschinen- oder Automobilbau die schnelle und günstige Fertigung experimenteller Prototypen ermöglicht. In Harvard gelang 2013 erstmals der Druck eines Kunststoffobjekts, das sich, bedingt durch äußere Einflüsse, ausdehnte oder zusammenzog. Da es nacheinander verschiedene Zustände einnehmen konnte, nannte der MIT-Mitarbeiter Skylar Tibbits diese Entwicklung 4D-Druck – mit der Zeit als vierter Dimension.

4D-Objekte reagieren unmittelbar auf bestimmte Auslöser chemischer Prozesse wie Wasser, Wärme, Vibration oder Schall. Dadurch werden Stromzufuhr oder Steuerung für künftige 4D-basierte Technologien überflüssig, da sie sich durch ihre Materialeigenschaften selbst regulieren. Von der Anwendungsreife ist 4D-Druck allerdings noch weit entfernt. Denn die Forschungsobjekte verformen sich im Labor bislang nicht so verlässlich, wie es für die Produktentwicklung nötig wäre. Dieses Problem haben Wissenschaftler der ETH Zürich jetzt mit einem neuen Konstruktionsprinzip gelöst.

Einfacher Aufbau sorgt für Stabilität

„Unsere flach hergestellten Strukturen verändern ihre Konfiguration nicht irgendwie, sondern genau wie von uns vorgesehen“, erklärt Tian Chen vom Forscherteam der ETH. Der flächige Ausdruck spart Herstellungszeit, die bei dreidimensionaler Fertigung anfiele. Auch wird das Objekt in einem Schritt gedruckt, statt aus losen Einzelteilen montiert werden zu müssen. Die Objektstrukturen sind dabei aus einem neuartigen Hubelement gefertigt, das aus einem starren  und einem flexiblen Polymer besteht. Letzteres befindet sich in den Gelenken und kann das starre Bauteil heben, wenn es sich ausdehnt, und senken, indem es sich zusammenzieht.

Ein einzelnes Hubelement in seinen beiden Zuständen. Es besteht aus einem starren (hell) und elastischen (dunkel) Polymer. Bild: ETH Zürich – Chen et al. Scientific Reports 2017Montage

Die simple und prognostizierbare Funktionsweise des Hubelements sorgt in Objektstrukturen für Stabilität. Als Beispiel dient der ETH eine viereckige flache Grundstruktur, die sich aus dem neu entwickelten Hubelement zusammensetzt. Sie lässt sich nur auf zweierlei Art – als Krater oder Kuppel – dreidimensional verformen und muss derzeit noch per Hand aus der Fläche gedrückt werden. Als Antrieb sollen quellende Materialien dienen, die ihre Form je nach Feuchtigkeitsgrad verändern. Um mit dem Hubelement Objekte zu entwerfen, nutzen die Züricher eine eigene Simulationssoftware, die mögliche Formen sowie den Kraftaufwand für Formänderungen berechnet.

Flache Strukturen, die sich dreidimensional ausfahren lassen, wären ideal für die Raumfahrt geeignet. So könnten etwa darauf basierende Werkzeuge sehr platzsparend ins All transportiert werden. Ein weiteres Anwendungsgebiet für 4D-Druck wäre die Gebäudetechnik, etwa in Form von Ventilationsklappen, die sich bei Wärme öffnen und bei Kälte schließen. Und in der Medizin könnte sich 4D-Implantate den Organen von Patienten durch Ausdehnung individuell anpassen und bei Kindern und Jugendlichen sogar mitwachsen.

Cover-Foto: Youtube – ETH Zürich – (Screenshot/Montage)

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