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.

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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

 

 

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