Forscher der ETH Zürich konnten erstmals ein Verfahren erfolgreich testen, bei dem sich formverändernde Objekte, deren Herstellung auch als 4D-Druck bezeichnet wird, ihre Konfiguration genau nach den Vorgaben der Forscher verändernden. Das bietet neben der Logistik und Medizin vielen Branche enorme Potenziale.

Anzeige

Logo ETH ZürichDas von den Forschern der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) Zürich in einer Pressemitteilung vorgestellte Konstruktionsprinzip erlaubt die Fertigung tragfähiger und vorhersagbarer Strukturen. Zu den am Forschungsprojekt beteiligten Wissenschaftlern zählt Kristina Shea. Sie ist Leiterin des „Labors für Produktentwicklung und rechnerbasierte Methoden“ an der ETH.

4D-Druck
4D-Druck der ETH Zürich (Bild © GIF: 3D-grenzenlos; Videoquelle: Youtube/Engineering Design and Computing Laboratory).

Beim 4D-Druck werden bewegliche Objekte gefertigt, beispielsweise flache Bausätze, die sich später zu dreidimensionalen Objekten entwickeln können. Es gibt aber auch 4D-Objekte, die ihre Form durch äußere Einflüsse ändern können. Vor Kurzem haben wir beispielsweise über den Einsatz eines Brustimplantats berichtet, das sich im Laufe der Zeit zurückbildet. Diese Methode wurde in einem chinesischen Krankenhaus angewandt. Mehr als 15 weitere Beispiele finden Sie auch auf unserer Themenseite „4D-Druck„, so unter anderem erste Experimente mit dem 4D-Druck von Lebensmitteln des MIT.

Die ETH-Forschungsgruppe rund um Shea hat nun ein Konstruktionsprinzip entwickelt, mit dem sich Formänderungen genau verifizieren lassen.

„Unsere flach hergestellten Strukturen verändern ihre Konfiguration nicht irgendwie, sondern genau wie von uns vorgesehen. Außerdem können die Strukturen mit Gewicht belastet werden. Solche tragfähigen 4D-Druck-Objekte konnte vor den ETH-Wissenschaftlern noch niemand herstellen“, so Thian Chen, Doktorand in der ETH-Forschergruppe.

Das Konstruktionsprinzip im Detail

Grundlage des Konstruktionsprinzips ist ein selbst entwickeltes Hubelement, welches zwei verschiedene Zustände einnehmen kann – entweder ist es ausgefahren oder eingezogen. Diese Elemente wurden zu komplexen Strukturen zusammengesetzt. Da die einzelnen Elemente nur zwei Zustände einnehmen können, ist es den Forschern möglich, die stabilen dreidimensionalen Formen der jeweiligen Gesamtstruktur vorherzusagen. Es sind aber auch Strukturen möglich, die mehrere stabile Formen einnehmen.

Zugleich entwickelten die Forscher eine Simulationssoftware, die ihnen aufzeigt, welche Formen erreichbar sind und wie viel Kraft für die Formänderung aufgebracht werden muss. Dies ist beim Entwurf von Objekten ausschlaggebend.

Die Strukturen selbst wurden mit einem professionellen Multimaterial-3D-Drucker gedruckt. Dieser ermöglicht es, Objekte aus bis zu vierzig verschiedenen Materialien herzustellen. Die hier vorgestellten Objekte der ETH-Forscher bestehen aus einem starren (für die festen Hauptteile) und einem elastischen Polymer (für die Stellen, die beweglich bleiben müssen). Das gesamte Objekt wird in einem Schritt gedruckt.

„Der 4D-Druck hat mehrere Vorteile. Eine flache Ausgangsform mit starren und beweglichen Abschnitten in einem Schritt zu drucken, ist äußerst effizient. Viel komplexer und zeitaufwändiger wäre es hingegen, solche Objekte dreidimensional herzustellen oder sie aus mehreren losen Komponenten zusammenzubauen“, so die Leiterin der Forschungsgruppe, Professorin Shea.

Weitere Einsatzgebiete

Die Strukturen können platzsparend aufbewahrt und transportiert werden. Erst an ihrem Bestimmungsort sollen sie sich in ihrer vollständigen Größe entfalten. Ähnliche Ansätze verfolgt man in der Raumfahrt und in der Medizin. Im medizinischen Sektor soll es unter anderem möglich werden, Stents mit diesem Verfahren herzustellen. Auch für die Gebäudetechnik und Baubranche ist der 4D-Druck interessant. Hier wäre es beispielsweise möglich, Ventilationssysteme oder Schließsysteme von Klappen mit 4D-Objekten auszustatten.

Aktuell werden die Objekte noch von Hand entfaltet. Die Forscher arbeiten aber daran, für diese Elemente Antriebe zu entwickeln, die temperaturabhängig arbeiten. Nach Angaben der Forscher soll es auch möglich sein, eine pneumatische Steuerung, die mit Druckluft arbeitet, zu nutzen oder quellende Materialien einzusetzen. Letztere können ihre Form der aktuellen Feuchte anpassen.

Den vollständigen Forschungsbericht können Sie in englischer Sprache auf der Nature Plattform nachlesen.

Videos zum 4D-Druckverfahren der ETH Zürich

YouTube

Mit dem Laden des Videos akzeptieren Sie die Datenschutzerklärung von YouTube.
Mehr erfahren

Video laden

YouTube

Mit dem Laden des Videos akzeptieren Sie die Datenschutzerklärung von YouTube.
Mehr erfahren

Video laden

 

 

TOP 10 verkaufte 3D-Drucker der 49. Kalenderwoche 2020

Platzierung3D-DruckerAktionspreisAktion / GutscheinZum AngebotInfos zum Gerät
1Artillery Sidewinder-X1327,25 €Flash SalekaufenProduktvorstellung lesen
2Artillery GENIUS241,34 €Flash SalekaufenTestbericht
3ANYCUBIC Mega-S179,74 €Flash Salekaufen
4Alfawise U30 Pro280,49 €

ALFAU30PRO1

kaufen
5TRONXY X5SA242,19 €Flash Salekaufen
6Tronxy XY-2 Pro155,69 €Flash Salekaufen
7Flsun Q5172,14 €Flash Salekaufen
8Flsun QQ S Pro249,99 €kaufen
9NOVA3D Bene4249,99 €Flash Salekaufen
10EcubMaker TOYDIY477,63 €Flash Salekaufen
OUTLONGER LK4 Pro225,33 €Flash Salekaufen
OUTOrtur Obsidian257,14 €kaufenTestbericht
OUTQIDI TECH X-Max1.199,00 €kaufen
OUTQIDITECH X-Plus687,14 €kaufenTestbericht
OUTANYCUBIC Mega X343,14 €kaufenTestbericht
OUTAnycubic Chiron368,94 €kaufen
OUTFlying Bear Ghost 4S309,59 €kaufen
OUTCreality Ender 3153,94 €kaufen
OUTELEGOO Mars
241,37 €kaufen
OUTCreality CR-10 V2429,14 €kaufen
OUTEcubMaker 4 in 1545,58 €kaufen
OUTAnycubic Photon-S372,53 €kaufen
OUTANYCUBIC MEGA ZERO160,57 €kaufen
OUTAlfawise U30171,99 €kaufenTestbericht
OUTAlfawise U20269,6 €kaufenTestbericht
OUTAlfawise U20 ONE220,16 €kaufen
OUTCreality Ender 3 V-Slot187,63 €kaufenTestbericht
OUTTronxy D01426,39 €kaufen

Gutschein-Code funktioniert nicht? Hier melden | Alle 3D-Drucker-Gutscheine | 3D-Drucker kaufen