ETH-Forscher erweitern 3D-Druck um vierte Dimension
3D-Druck war gestern: Der 4D-Druck ermöglicht Objekte, die ihre Form verändern können. Dies kann ein flächiges Teil sein, das sich zum dreidimensionalen Objekt entfaltet. Je nachdem kann es sich aufgrund von äusseren Einflüssen verändern. Forscher der ETH Zürich haben diese Technologie einen entscheidenden Schritt weitergebracht und ein Verfahren entwickelt, das vorhersagbare, tragfähige Strukturen erlaubt.
Quelle: ETH Zürich / Tian Chen
Dieses Objekt wird flach gedruckt (links) und kann später in zwei weitere stabile und tragfähige Formen gebracht werden (Mitte und rechts).
Und mit dem die Formveränderungen genau kontrolliert werden können. „Unsere flach hergestellten Strukturen verändern ihre Konfiguration nicht irgendwie, sondern genau wie von uns vorgesehen“, erklärt Tian Chen in der Mitteilung der ETH, der im Team von ETH-Professorin Kristina Shea arbeitet, das Verfahren entwickelt hat. Ausserdem können die flachen Strukturen mit Gewicht belastet werden. Solche tragfähigen 4D-Druck-Objekte hätten vor den ETH-Wissenschaftern noch niemand herstellen können, teilt die ETH weiter mit.
Hubelement als Kern
Das Herzstück dieses Prinzips bildet ein spezielles Hubelement. Dieses kann nur zwischen zwei Zuständen wechseln kann: eingezogen oder ausgefahren. Es setzt sich aus einem starren Polymer für die unbeweglichen Bestandteile, und einem elastischen für die beweglichen zusammen. Diese Bauteile erzeugten Chen und seine Kollegen in einem Schritt mittels eiens Multimaterial-3D-Druckers. Weil die einzelnen Elemente nur einen von zwei Zuständen einnehmen können, sind auch die daraus zusammengesetzten komplexeren Strukturen vorhersagbar. Dabei hilft eine ebenfalls eigens entwickelte Simulationssoftware, schrieb die ETH Zürich.
Noch müssen Shea und ihre Kollegen die Strukturen von Hand entfalten, sie arbeiten aber an Antrieben für ihre Elemente, hiess es weiter. Diese sollen die Strukturen temperaturabhängig ausfahren. Ebenfalls möglich wäre eine Steuerung mit Druckluft oder quellendem Material, die durch Feuchtigkeit ihre Form verändern.
Raumfahrt, Medizin und Gebäudetechnik
„Der 4D-Druck hat mehrere Vorteile“, sagt Kristina Shea. „Eine flache Ausgangsform mit starren beweglichen Abschnitten in einem Schritt zu drucken, ist äusserst effizient.“ Viel komplexer und aufwendiger sei es hingegen, solche Objekte dreidimensional herzustellen oder sie aus mehreren losen Komponenten zusammenzubauen. Zudem können flache Strukturen platzsparend transportiert werden. Ähnliche Ansätze verfolgt bereits die Raumfahrt. Daher ist sie auch eines der möglichen Anwendungsgebiete für den 4D-Druck. Aber sie bei weitem nicht das einzige: Die Wissenschafter können sich auch vorstellen, dass die Technologie in der Gebäudetechnik zum Einsatz kommen könnte, etwa bei Ventilationssystemen oder bei Systemen zum Öffnen oder Schiessen von Klappen. Ein weiteres Einsatzfeld sind medizinische Anwendungen, beispielsweise bei Stents. (mai/mgt/sda)
Flach gedruckte Struktur, die verschiedene belastbare Konfigurationen einnehmen kann. (Video: ETH Zürich)
Belastbare Struktur, die sich mit zunehmenden Temperaturen entfaltet. (Video: ETH Zürich)
