Bildnachweis: Made360/Shutterstock.com
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nutzen jetzt die vierte Dimension, um eine neue Generation gedruckter intelligenter Materialien zu schaffen, die ihre Form verändern können.
3D-Druck vs. 4D-Druck
Der dreidimensionale Druck, auch als additive Fertigung bekannt, nimmt eine digitale Vorlage und verwandelt sie mithilfe computergestützter Konstruktion (CAD) in ein physisches Objekt.
Eine sich wiederholende 2D-Struktur wird Schicht für Schicht von unten nach oben aufgebaut, bis eine dreidimensionale Konstruktion entsteht. Das fertige Objekt zeichnet sich durch seine Steifheit und Unfähigkeit aus, seine Form zu ändern, ähnlich wie bei jedem typischen Metall- oder Kunststoffteil.
Der Prozess des 4D-Drucks ist im Wesentlichen derselbe. Es werden dieselben 3D-Drucker verwendet und der Computer führt dasselbe Programm aus, um Material in aufeinanderfolgenden Schichten abzulagern, bis eine 3D-Struktur entsteht.
Der 4D-Druck fügt jedoch eine neue Dimension hinzu, in der die Struktur im Laufe der Zeit ihre Form verändern kann. Es erfordert einzigartige Materialien und maßgeschneiderte Designs, die in das Programm integriert werden, um den 3D-Druck zu veranlassen, seine Form zu ändern, wenn er durch einen bestimmten Reiz wie Hitze, Wasser oder Licht ausgelöst wird.
Diese programmierbare Zutat – ein Hydrogel oder ein Formgedächtnispolymere – ist in der Lage, seine physische Form oder thermomechanische Eigenschaften auf programmierbare Weise basierend auf Benutzereingaben oder autonomer Erfassung zu ändern.
Hydrogele können große Mengen Wasser aufnehmen und können so programmiert werden, dass sie sich mit Veränderungen der Umgebung zusammenziehen oder ausdehnen. Formgedächtnispolymere können ihre ursprüngliche Form aus einer verformten Form wiedererlangen, wenn ein Reiz angewendet wird.
Während der 3D-Druck die Anweisungen zum Drucken von Materialschichten enthält, fügt der 4D-Druck einen präzisen geometrischen Code zum Prozess hinzu, der auf den Winkeln und Abmessungen der gewünschten Form basiert. Dadurch erhält er die Formgedächtnisfunktion und Anweisungen zur Bewegung oder Anpassung unter bestimmten Umgebungsbedingungen.
Forschung zu 4D-gedruckten Formen
Es gibt viele Institutionen und Unternehmen, die derzeit 4D-gedruckte Formen und ihre möglichen Anwendungen erforschen.
Das Self-assembly Lab des MIT ist ein Projekt, das Technologie und Design miteinander verbindet, um Selbstmontage- und programmierbare Materialtechnologien zu erfinden und so Bauwesen, Fertigung, Produktmontage und Leistung zu revolutionieren.
Eine Entwicklung zeigt eine flach gedruckte Struktur, die sich langsam in eine andere Form faltet, wenn sie in heißes Wasser gelegt wird. Dadurch könnten viel größere Strukturen im kleineren Maßstab gedruckt werden, um sich später auszudehnen oder zu entfalten.
Das Labor forscht auch an programmierbarem Holz, das für die Selbstmontage von Möbeln skaliert werden könnte. Stellen Sie sich ein flach gedrucktes Brett vor, das sich durch Zugabe von Wasser oder Licht zu einem Stuhl aufrollt.
Der Gründer des Labs, Skylar Tibbits, glaubt, dass die Technologie in vielen Bereichen großes Potenzial hat, einschließlich der Modeindustrie. Er stellt sich Turnschuhe vor, die sich je nach Aktivität an Ihre Füße anpassen, und Kleidung, die in Reaktion auf das Wetter ihre Zusammensetzung ändern kann.
Es ist jedoch wahrscheinlicher, dass Sie auf 4D-Druck in Form von medizinischen Implantaten oder mechanischen Systemen stoßen, die sich je nach verschiedenen Umgebungsbedingungen konfigurieren.
Forscherinnen und Forscher an der University of Wollongong in Australien haben ein 4D-gedrucktes Wasserventil entwickelt, das sich bei heißem Wasser schließt und sich öffnet, sobald die Temperatur abgekühlt ist. Es verwendet eine Hydrogel-Tinte, die schnell auf Wärme reagiert.
4D-Druck könnte in der Biotechnologie oder der Medizin eingesetzt werden. Beispielsweise könnten 4D-gedruckte Stents in Blutgefäße eingesetzt werden und sich bei Erreichen des richtigen Bereichs ausdehnen, um zusätzliche Unterstützung zu bieten. Sie könnten auch in Medikamentenkapseln verwendet werden, die ihre Form ändern, um das Medikament freizusetzen, sobald sie ihr Ziel erreichen.
Forscherinnen und Forscher an der George Washington University haben eine Art 4D-druckbare, fotovernetzbare Flüssigharz aus einem erneuerbaren Sojabohnenöl-Epoxidiertem-Acrylat-Verbindung entwickelt. Dies könnte als Gerüst für das Wachstum von Knochenmarkstammzellen verwendet werden.
Weitere medizinische Anwendungen könnten selbstumformende Proteine oder selbstfaltende Proteine umfassen – ein weiteres Projekt des Self-assembly Lab des MIT.
Weitere Anwendungen umfassen selbstreparierende Rohre, die ihren Durchmesser als Reaktion auf den Wasserbedarf und die Fließrate ändern und Risse oder Brüche in sich selbst heilen können. Solche Materialien wären in extremen Umgebungen wie dem Weltraum vorteilhaft, da die veränderbaren Formen von 4D-gedruckten Materialien den Bau von Brücken und Schutzhütten ermöglichen oder eine mögliche Selbstreparatur bei Beschädigung durch Wetter ermöglichen würden.
Auch die Architektur könnte profitieren, da adaptive Fassaden oder selbstöffnende/-schließende Dächer, die durch das Wetter aktiviert werden, zu den zukünftigen Anwendungen gehören.
Die Zukunft des 4D-Drucks
Die 4D-Drucktechnologie befindet sich noch in den frühen Phasen von Forschung und Entwicklung.
Derzeit sind Laboratorien und Prototypen-Einrichtungen sowie einige Architekturausstellungen und Kunstinstallationen die wahrscheinlichsten Orte, an denen sich 4D-gedruckte Formen befinden.
Die Zukunft sieht vielversprechend aus und ähnlich wie beim 3D-Druck ist die Liste der möglichen Anwendungen riesig. Der Einsatz solcher intelligenter Materialien könnte die Welt der Materialien revolutionieren, wie wir sie kennen.
Referenzen und weiterführende Literatur
- Young, M. (2019) 4D Printing – All You Need to Know. [Online] All3DP. Verfügbar unter: https://all3dp.com/1/4d-printing/ (Zugriff am 17. Juni 2020).
- Sculpteo. 4D Printing: A technology coming from the future. [Online] Verfügbar unter: https://www.sculpteo.com/en/3d-learning-hub/best-articles-about-3d-printing/4d-printing-technology/ (Zugriff am 17. Juni 2020).
- Taylor-Smith, K. (2019) What is 4D Printing? [Online] AZoNano. Verfügbar unter: https://www.azonano.com/article.aspx?ArticleID=5117 (Zugriff am 17. Juni 2020).
- Ofek, A. What is the Difference Between 3D Printing and 4D Printing? [Online] 3DP Master. Verfügbar unter: https://3dpmaster.com/what-is-the-difference-between-3d-printing-and-4d-printing/ (Zugriff am 17. Juni 2020).
Hinweis: Die hier geäußerten Ansichten sind die des Autors in seiner privaten Funktion und repräsentieren nicht unbedingt die Ansichten von AZoM.com Limited T/A AZoNetwork, dem Inhaber und Betreiber dieser Website. Diese Haftungsausschlusserklärung ist Teil der Nutzungsbedingungen dieser Website.
