Wie wäre es, wenn Rohre automatisch repariert werden könnten, wenn sie Risse oder Brüche haben, oder wenn sich die Kleidung je nach Wetter oder Aktivität des Benutzers ändern könnte? Möbel, die sich selbst zusammensetzen, Prothesen, die sich dem Wachstum anpassen... Dies sind nur einige der möglichen Anwendungen, die mit der 4D-Drucktechnologie realisiert werden sollen.
Bild 1: 4D-gedruckte Klaue, die ihre Form verändert. Quelle: Sculpteo.
Den 3D-Druck gibt es seit fast 30 Jahren, und während er sich noch in der Forschungsphase befindet, in der neue Materialien und Anwendungen entdeckt werden, haben sich neue Technologien wie 4D entwickelt.
Am MIT Self-assembly Lab haben sie ein Projekt entwickelt, zu dem auch der 4D-Druck gehört. Sein Ziel ist es, Technologie und Design zu kombinieren, um programmierbare Materialien und Selbstmontagetechnologien zu entwickeln, mit dem Ziel, Konstruktion, Fertigung, Produktmontage und Leistung neu zu erfinden. In der Zwischenzeit ist es in einer Studie des Wyss-Instituts (Teil der Harvard-Universität) gelungen, ein Objekt zu drucken, das bei Kontakt mit Wasser seine Form verändert, was zu einer Art Blüte an den Enden führt. Sie entwickelten ein Material auf der Grundlage natürlicher Strukturen wie Pflanzen, das während des Druckvorgangs mit Zellulosefasern injiziert wurde.
Video 1: Gestaltwandelnde Architektur. Quelle: Harvard-Universität.
Was ist 4D-Druck?
Inspiriert vom Prinzip der Selbstorganisation ist der 4D-Druck ein Prozess, bei dem ein 3D-gedrucktes Objekt durch den Einfluss externer Energiezufuhr wie Temperatur, Licht oder andere Umweltreize in eine andere Struktur umgewandelt wird. Das heißt, ein Objekt durch 3D-Technologie zu erhalten, das sich dank der Eigenschaften des Materials, aus dem es hergestellt ist, verändern kann, wenn es einem Umweltreiz ausgesetzt wird.
Genau das ist der Unterschied zwischen der 3D- und der 4D-Technologie: die Fähigkeit von Objekten, sich im Laufe der Zeit ohne menschliches Zutun zu verändern.
Verwendete Materialien
Der Schlüssel zum 4D-Druck ist nicht so sehr das Verfahren, das auf den bekannten 3D-Druckern basiert, sondern die Materialien. Da es sich um eine relativ neue Technologie handelt, sind die verfügbaren Materialien noch nicht so vielfältig wie die für den normalen 3D-Druck verwendeten. Es gibt jedoch einige sehr interessante.
SMP (Polymere mit Formgedächtnis)
Polymere, die bei Raumtemperatur starr bleiben und besondere Eigenschaften aufweisen, wenn sie den Glasübergangspunkt erreichen. Ein Beispiel dafür ist das TPU SMP von Convena: ein 4D-Filament mit einer Zusammensetzung auf der Basis von TPU (thermoplastisches Polyurethan), das eine Nachbearbeitung ermöglicht, um die Form von 3D-gedruckten Teilen zu verändern. Dank seiner besonderen Zusammensetzung und der Shape-Memory-Polymer-Technologie können mit diesem Filament gedruckte Teile manuell verändert werden, so dass sie eine andere Form annehmen und diese im Laufe der Zeit beibehalten können.
Das Verfahren zur Änderung der Form eines 3D-gedruckten Teils mit SMP-TPU-Filament besteht darin, das 3D-gedruckte Teil in einen Behälter mit heißem Wasser zu legen, bis es seine Glasübergangstemperatur erreicht. An diesem Punkt wird das Teil weich und der Benutzer kann seine Form leicht verändern. Nach dem Abkühlen behält das Teil seine Form bei und bleibt stabil. Außerdem können mit SMP-TPU-Filament 3D-gedruckte Teile durch Umkehrung des Prozesses wieder in ihre ursprüngliche Form gebracht werden. Mit anderen Worten: Die Glasübergangstemperatur des Materials wird wieder erreicht.
LCE (Flüssigkristall-Elastomere)
Sie enthalten Flüssigkristalle, die hitzeempfindlich sind. Durch die Kontrolle ihrer Ausrichtung kann die gewünschte Form programmiert werden: Unter dem Einfluss der Temperatur entspannt sich das Material und verwandelt sich entsprechend dem vorgegebenen Code.
Hydrogele
Polymerketten, die hauptsächlich aus Wasser bestehen und insbesondere in lichthärtenden Verfahren verwendet werden. Letztere sind aufgrund ihrer Biokompatibilität auf den medizinischen Bereich ausgerichtet.
Darüber hinaus können bei einigen 4D-Druckverfahren verschiedene Materialien verwendet werden, vor allem Verbundwerkstoffe wie Holz oder Kohlenstoff, die zu SMP oder Hydrogelen hinzugefügt werden. Das Ergebnis sind Objekte mit starren und beweglichen Bereichen.
Anwendungen
Angesichts der vielen Vorteile solcher intelligenten Materialien sind die Anwendungsmöglichkeiten des 4D-Drucks zahllos.
Bauwesen
Der Bau von klimaangepassten Bauwerken wie Brücken, Unterständen oder anderen Einrichtungen wäre ein großer Fortschritt in diesem Bereich. 4D-Ziegel, die in der Lage sind, Wände und Dächer an die jeweilige Umgebung anzupassen, würden es ermöglichen, die Innenraumbedingungen zu verändern und zu verbessern.
Video 2: Programmierbares Holz. Quelle: Self-Assembly Lab, MIT.
Medizin
In diesem Fall bietet der 4D-Druck die Möglichkeit, maßgeschneiderte, intelligente und sich weiterentwickelnde Geräte zu schaffen. Durch den 4D-Druck eines Implantats könnten beispielsweise sein Zustand und seine Lebensfähigkeit leichter überwacht werden, sobald es in den Patienten integriert ist.
Dieses Konzept ist auf die gesamte regenerative Medizin und die Herstellung von Zellstrukturen anwendbar. Der 4D-Druck würde es den Zellen ermöglichen, sich an den menschlichen Körper anzupassen, beispielsweise in Abhängigkeit von der Temperatur. Bei Arzneimitteln wäre es zum Beispiel möglich, ein Gerät zu drucken, das die erforderliche Dosis in Abhängigkeit von der Körpertemperatur des Patienten abgibt.
Transport
Vor einigen Monaten haben BMW und das MIT ihr aufblasbares Material vorgestellt, das unter dem Einfluss von Luftimpulsen seine Form und Größe verändert. Die Anwendungen sind sehr interessant, denn in Zukunft könnten wir Reifen haben, die sich im Falle einer Reifenpanne selbst reparieren oder sich an die Gelände- und Wetterbedingungen der Umgebung anpassen.
Im Falle der Luftfahrtindustrie könnte ein 4D-gedrucktes Bauteil auf atmosphärische Druck- oder Temperaturänderungen reagieren und so seine Funktion ändern. Airbus arbeitet derzeit an solchen Entwicklungen, denn diese Komponenten könnten Scharniere und hydraulische Aktuatoren ersetzen und die Geräte deutlich leichter machen. Darüber hinaus arbeitet das Unternehmen an der Entwicklung hitzereaktiver Materialien zur Kühlung seiner Flugzeugtriebwerke.
Raúl Pulido Casillas, ein spanischer Ingenieur, hat für die NASA einen intelligenten Stoff im 4D-Druckverfahren entwickelt. Das Metallgewebe, das aus miteinander verbundenen silbernen Stücken besteht, ist mit einer Wärmeregulierung versehen, die in den Druck integriert ist. Mit anderen Worten: Nicht nur die Form, sondern auch die Funktion der Materialien wurde gedruckt. Da es in der Lage ist, Wärme nach außen zu reflektieren und nach innen zu speichern, könnte es ein ideales Element für die Herstellung von Astronautenanzügen oder die Abdeckung von Raumfahrzeugen sein.
Mode
Auch in der Textilindustrie hat der 4D-Druck seinen Platz gefunden. Es besteht die Möglichkeit, Schuhe zu drucken, die sich an Bewegung, Aufprall, Temperatur und atmosphärischen Druck anpassen. Das US-Militär hat bereits einen Vorstoß in diesen Bereich unternommen und testet Uniformen, die je nach Umgebung die Farbe wechseln oder die Schweißabsonderung in Abhängigkeit vom Puls des Soldaten oder der Umgebungstemperatur regulieren.
Obwohl wir noch in den Kinderschuhen stecken, ist es sicher, dass die 4D-Technologie in den nächsten Jahren die Herstellung und Beschaffenheit von Objekten revolutionieren wird, so wie es seinerzeit der 3D-Druck tat.
