Forscher der ETH Zürich haben ein neues 4D-Druckverfahren entwickelt. Zum einen sind die 4D-Druck-Objekt belastbar. Zum anderen konnte ein Hubelement in einem Stück gedruckt werden, dass aus starren und elastischen Polymeren besteht und sich selbstständig auf- und zuklappen kann.

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Die ETH Zürich hat eine neue Fertigungstechnik beim 4D-Druck entwickelt, mit der sich vierdimensionale Objekte drucken lassen. Dabei handelt es sich um Objekt, die sich zeitabhängig verändern und unter Veränderung äußerer Bedingungen bewegt werden können.

4D-Druck
Der 4D-Druck ermöglicht an diesem Beispiel das automatische Auf- und Zuklappen (Bild © 3D-grenzenlos; Videoquelle: Youtube/Engineering Design and Computing Laboratory).

Das neue Verfahren kontrolliert exakt diese Formänderungen, indem die zunächst flach hergestellten Strukturen auf Grundlage ihrer Konfigurationen exakt nach Vorgabe geändert werden können, erklärte Tian Chen, Doktorand in der Forschergruppe von Kristina Shea, die Leiterin des Labors für Produktentwicklung und rechnerbasierte Methoden an der ETH Zürich ist, in einer Pressemitteilung. Die gedruckten Strukturen können auch Gewichte tragen, was ebenfalls neu ist, denn bislang waren Objekte aus dem 4D-Druck nicht tragfähig.

4D-Druck-Objekt
Das 4D-Druck-Objekt kann aufklappen und zuklappen (Hubelement) und besteht aus einem starren (dunkel) und elastischem (hell) Polymer (Bild © Bild: Chen et al. Scientific Reports 2017).

Der Mittelpunkt des Konstruktionsprinzip ist ein Hubelement, welches zwei Zustände erreichen kann. Entweder wird es eingezogen oder ausgezogen. Die Elemente wurden von den Forschern zu komplexeren Strukturen verbunden. Umsetzbar sind den Angaben zufolge auch Gegenstände, die mehrere stabile Strukturen haben können. Die Simulationssoftware dient den Forschern dazu den Entwurf von Objekten und der Vorhersage, welche Formen und Kraft für Formveränderungen erforderlich sind.

Die Strukturen wurden mit einem Multimaterial-3D-Drucker hergestellt, der Objekte aus bis zu vierzig Materialien schichtweise herstellen kann. Die Gegenstände der Wissenschaftler bestehen aus einem elastischen und einem festen Polymer. Die Elemente der Objekte werden in einem Schritt gedruckt, müssen also nicht anschließend zusammengesetzt werden.

Welche Vorteile bringt das und für wen?

Der 4D-Druck erlaubt eine effiziente Produktion und platzsparenden Transport. Einer der realistischen Anwendungsbereiche ist die Raumfahrt, doch nach Angaben der Forscher sei auch die Konstruktion einfacher Strukturen für die Gebäudetechnik, wie zum Beispiel Ventilationssysteme oder Systeme zur Öffnung oder Schließung von Klappen möglich. Medizinische Anwendungen wie Stents seien ebenfalls vorstellbar, die sich erst im Körper beim Erreichen der exakten Körpertemperatur an ihrer im Körper platzierten Stelle entfalten.

Zur Zeit müssen die Forscher die gedruckten Strukturen noch manuell entfalten. Künftig sollen Antriebe die Entfaltung der Objekte übernehmen, die noch entwickelt werden und die Strukturen temperaturabhängig herausfahren. Vorstellbar sei den Forschern zufolge auch eine pneumatische Steuerung mit Druckluft oder quellende Materialien, die die Form in Abhängigkeit vom herrschenden Feuchtegrad ändern.

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In Singapur haben Forscher im März 2017 die mechanischen Eigenschaften von 4D-Objekten getestet, wozu auch die Haltbarkeit von 4D-Druck-Objekten zählte. Ein Forscherteam des MIT und aus Singapur stellten im August 2016 eine neue 4D-Druck-Technologie mit der sich 4D-Objekte im Schichtbauverfahren herstellen lassen.

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