Nach mehrjährigen Forschungen ist einem chinesischen Team von Wissenschaftlern der City University of Hong Kong ein Durchbruch beim 4D-Druck von Keramik gelungen. Die entstandenen Keramiken haben ein komplexes Design und sind äußerst robust. Wissenschaftler sprechen bereits von einer „Revolution in der Materialforschung“ und nennen bedeutende Einsatzbereiche für das 4D-Druckverfahren von Keramik.

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Von einem Forscherteam der City University of Hong Kong (CityU) wurde jetzt ein 4D-Druckverfahren entwickelt, mit dem Objekte und Strukturen aus Keramik additive gefertigt werden können, die über ein komplexes Design verfügen und mechanisch robust sind. Dies gleicht einer „Revolution in der Materialforschung“ lassen die Wissenschafter in einem am 17.04.2018 bei bei „Science Advances“ veröffentlichten Forschungsarbeit unter dem Titel „Origami and 4D printing of elastomer-derived ceramic structures“ verlauten.

4D-Druck = 3D-Druck + Zeit

Der 4D-Druck kombiniert dreidimensionale Objekt mit dem Faktor Zeit. Das bedeutet, dass Objekte im Zeitverlauf mittels äußerer Einwirkung wie mechanischer Kraft, Temperatur oder eines Magnetfeldes sich neu formen oder selbst zusammensetzen können. Handelt es sich dabei um Objekte die additive gefertigt werden, so spricht man vom 4D-Druck. Die Forscher aus Hong Kong entwickelten bei ihrem Verfahren eine „keramische Tinte“, die aus Polymeren und keramischen Nanopartikeln besteht. Alle mit dieser Tinte per 3D-Drucker hergestellten Keramikvorläufer sind elastisch und lassen sich dreimal über ihre eigentliche Länge hinausziehen, was komplexes Formen wie bei einer Origami-Faltung ermöglicht.

Origami Figur mit 4D-Druck Keramik
Das Forscherteam nutzte die gespeicherte Elastik-Energie der gestreckten Vorläufer zur Formgebung. Bei Freisetzung der gestreckten keramischen Vorläufer werden sie selbst umgestaltet (Bild © City University of Hong Kong).

Das Forscherteam nutzte die gespeicherte Elastik-Energie der gestreckten Vorläufer zur Formgebung. Bei Freisetzung der gestreckten keramischen Vorläufer werden sie selbst umgestaltet. Die Vorprodukte werden nach einer Wärmebehandlung zur Keramik. Das Ergebnis ist eine Elastomer-Keramik, die eine mechanische Robustheit besitzt und in großen Größen mit hoher Festigkeit gefertigt werden kann.

Viele Einsatzbereiche für Keramik-4D-Druck denkbar

Über 2,5 Jahre lang forschte das Team mit dem Ziel, die Grenzen der existierenden Materialien zu überwinden und das 4D-Keramiksystem zu entwickeln. Ein vielversprechender Anwendungsbereich sind elektronische Geräte. Auch Wissenschaftler in Singapur beschäftigen sich schon länger mit dem 4D-Druck und testen ihn auf mechanische Eigenschaften. Im Gegensatz zu metallischen Werkstoffen haben keramische Werkstoffe eine deutlich bessere Leistung bezüglich der Übertragung elektromagnetischer Signale.

Keramische Produkte werden mit dem Start von 5G-Netzwerken eine zentralere Rolle bei der Fertigung elektronischer Produkte spielen. Verbraucher erhalten dank des künstlerischen Charakters der Keramik die Chance, individuelle Handy-Gehäuserückseiten herzustellen.

gedrucktes Objekt aus Keramik
Zu den Forschungen aus China wurde ein Artikel auf Science Advances veröffentlicht (Bild © City University of Hong Kong).

Die 4D-gedruckte Keramik habe darüber hinaus hohes Potenzial, als Antriebskomponente in der Luft– und Raumfahrt eingesetzt zu werden. In einem nächsten Schritt sollen die mechanischen Eigenschaften des Materials, wie zum Beispiel eine Verminderung seiner Sprödigkeit, noch weiter verbessert werden.

Forschern aus China von der Chinese Academy of Sciences (CAS) gelang es außerdem kürzlich, den Einsatz von 3D-Druck mit Keramik in Schwerelosigkeit zu verbessern. Nutzen Sie unseren Newsletter zur additiven Fertigung, um auch weiterhin über alle Entwicklungen in diesem Bereich auf dem Laufenden zu bleiben (hier kostenlos abonnieren).

4D-Druck von Keramik im Video

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