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4D-Druck: Wenn 3D zeitabhängig seine Form ändert

War ja klar, dass auch der 3D-Druck irgendwann einmal ein “alter Hut” werden würde. Ein von Forschern der ETH Zürich entwickeltes Verfahren ermöglichst nämlich inzwischen den 4D-Druck – das Drucken “in vierter Dimension”.

Der Clou dabei ist, dass die 3D-gedruckten Objekte zeitabhängig ihre Form verändern können. Sie falten sich zum Beispiel von einem flachen Bausatz zu einem gewölbten Konstrukt. Somit ist es möglich, vorhersagbare und tragfähige Strukturen zu erzeugen. Die Wissenschaftler um Kristina Shea von der ETH Zürich haben dieses Konstruktionsprinzip entwickelt, mit dem sich die Formveränderungen beim 4D-Druck exakt kontrollieren lassen.

Die Forschenden entwickelten ein spezielles Hubelement, das nur zwischen zwei Zuständen wechseln kann: eingezogen oder ausgefahren. Es besteht aus einem starren Polymer für die unbeweglichen Bestandteile, und einem elastischen für die beweglichen. Diese Bauteile erzeugten Chen und seine Kollegen in einem Schritt in einem Multimaterial-3D-Drucker.

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Ein einzelnes Hubelement in seinen beiden Zuständen. Es besteht aus einem starren (hell) und elastischen (dunkel) Polymer. (Bild: Chen et al. Scientific Reports 2017)

Weil die einzelnen Elemente nur einen von zwei Zuständen einnehmen können, sind auch die daraus zusammengesetzten komplexeren Strukturen vorhersagbar.

Noch müssen die Strukturen manuell entfaltet werden. Im nächsten Schritt arbeiten die Wissenschaftler an entsprechenden Antrieben. Diese sollen die Strukturen temperaturabhängig ausfahren. Ebenfalls möglich wäre eine Steuerung mit Druckluft oder quellendem Material, das durch Feuchtigkeit sein Form verändert.

Flache Strukturen lassen sich platzsparend transportieren und erst am Bestimmungsort entfalten.
Anwendungsgebiet wäre beispielsweise die Raumfahrt, die bereits seit einiger Zeit ähnliche Ansätze verfolgt, die Gebäudetechnik oder auch die Medizin. Denkbar wären zum Beispiel eine neue Generation von Stents, also Stützgerüste, die Körpergefäße stützen und offen halten. Mit 4D-Druck könnten sie sich erst nach dem Einsetzen in den Körper entfalten.

Antoinette Aufdermauer

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