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In einer Studie haben Forscher der chinesischen Zhejiang University eine modulare Methode des 4D-Drucks entwickelt, die geometrische Einschränkungen des Prozesses überwinden soll. Der 4D-Druck ist zwar schnell, weil dabei nicht in Schichten gedruckt wird, hat aber nur begrenzte Einsatzmöglichkeiten. Ein modulares 4D-Drucksystem, das durch Grenzflächenschweißen digitaler lichtsteuerbarer Module entstanden ist, soll das ändern. Die Studie der Forscher mit dem Titel „Modular 4D Printing via Interfacial Welding of Digital Light-Controllable Dynamic Covalent Polymer Networks“ wurde in der Zeitschrift Matter veröffentlicht.
Details zum modularen 4D-Drucksystem
Der 4D-Druck, der auf einer digital gesteuerten 2D-zu-3D-Transformation basiert, ist schnell, kann jedoch nur eingeschränkt komplexe Formen erstellen. Stark unterschiedliche Mehrfachmaterialien einzusetzen ist schwierig. Das Konzept der Forscher hat das Ziel, die einschichtige 3D-Transformation um eine mehrschichtige 3D-Transformation zu erweitern. Dabei soll der 4D-Druck mit modularer Montage kombiniert werden. So entstehen geometrisch komplexe Formgedächtnisvorrichtungen mit ausgefeilten Funktionen.
Die Autoren gehen davon aus, dass ihr Ansatz die Möglichkeiten für die künftige Entwicklung multifunktionaler Geräte durch die nahtlose Integration von Material, Struktur und Funktion erweitert. Beim modularen 4D-Drucksystem wird doppelseitiges digitales Licht eingesetzt, das auf einen aus photohärtbaren Monomeren bestehenden Druckvorläufer projiziert wird.
Einsatz photohärtbarer Monomere
Neben dynamischen kovalenten Bindungen enthalten die Monomere einen Lichtabsorber, einen Initiator und das Lösungsmittel Toluol. Durch Licht wird die Lösung gehärtet. Die ungehärteten Monomere und das Lösungsmittel werden entfernt, wodurch sich der 2D-Film aufgrund der Materialheterogenität in der Dimension außerhalb der Ebene zu 3D entwickelt. Die Forscher erhalten 3D-Objekte mit anpassbaren Materialeigenschaften, sogenannten „3D-Materialmodulen“. Die einzelnen Module verfügen über Formen, die durch Grenzflächenschweißen durch dynamischen kovalenten Bindungsaustausch verbunden werden.
Das Ergebnis
Abschließend erklären die Forscher, dass „diese Funktionen die vielseitige Integration von Materialien und Strukturen ermöglichen, was zu ungewöhnlichen Möglichkeiten führt, Geräte mit mehreren Gegebenheiten und geometriebestimmten Funktionen zu konstruieren. Insgesamt erweitert das Konzept des modularen 4D-Drucks den technologischen Spielraum für strukturell komplexe und funktional vielfältige Morphing-Geräte.“
In letzter Zeit gab es einige Entwicklungen im Bereich des 4D-Drucks. Forscher der Rutgers University haben zum Beispiel 4D-gedruckte Mikronadeln entwickelt, die mithilfe von rückwärts gerichteten Widerhaken hergestellt und so konstruiert wurden, dass sie sich horizontal verformen. So sind sie bei Gewebekontakt minimal invasiv. Zum Jahresbeginn haben wir eine Arbeit von Forschern des MIT vorgestellt, in der Materialien und Verfahren zum 4D-Druck komplexer Formen und Objekte untersucht und entwickelt wurden.
