4D-Druck: Die Zukunft des 3D-Drucks

Und was wäre, wenn Rohre sich automatisch reparieren könnten, wenn sie Risse oder Brüche haben, oder Kleidung sich je nach Wetter oder Aktivität des Benutzers ändern würde? Möbel, die sich selbst montieren, Prothesen, die sich dem Wachstum anpassen... Dies sind nur einige der möglichen Anwendungen, die die 4D-Drucktechnologie voraussichtlich umsetzen wird.

Bild 1: In 4D gedruckte Klaue, die ihre Form ändert. Quelle: Sculpteo.

3D-Druck existiert seit fast 30 Jahren und trotz laufender Forschung zur Entdeckung neuer Materialien und Anwendungen sind neue Technologien wie 4D entstanden.

Am MIT Self-Assembly Lab wurde ein Projekt entwickelt, zu dem auch der 4D-Druck gehört. Ziel ist es, Technologie und Design zu kombinieren, um programmierbare Materialtechnologien und Selbstmontagetechnologien zu erfinden und damit Bauwesen, Fertigung, Produktmontage und Leistung neu zu definieren. Ein weiteres Projekt des Wyss Institute (Teil der Harvard University) hat ein Objekt gedruckt, das seine Form beim Kontakt mit Wasser ändert und sich zu einem blütenähnlichen Ende entfaltet. Hierfür wurde ein Material entwickelt, das auf natürlichen Strukturen wie Pflanzen basiert und während des Druckvorgangs Zellulosefasern einspritzt.

Video 1: Architektur der Formänderung. Quelle: Harvard University.

Was ist wirklich die Impressions 4D?

4D-Druck ist inspiriert vom Prinzip der Selbstmontage und bezieht sich auf den Prozess, durch den ein in 3D gedrucktes Objekt durch die Einwirkung externer Energiequellen wie Temperatur, Licht oder andere Umweltreize zu einer anderen Struktur wird. Es handelt sich also um den Erhalt eines Objekts durch 3D-Technologie, das dank der Materialeigenschaften, aus denen es hergestellt wird, in der Lage ist, sich bei Umwelteinflüssen zu verändern.

Der wesentliche Unterschied zwischen 3D- und 4D-Technologie liegt in der Fähigkeit der Objekte, sich im Laufe der Zeit ohne menschliches Eingreifen zu verändern.

Verwendete Materialien

Der Schlüssel zum 4D-Druck liegt weniger im Prozess, der auf den bekannten 3D-Druckern basiert, sondern in den Materialien. Da es sich um eine relativ neue Technologie handelt, sind die verfügbaren Materialien nicht so vielfältig wie bei herkömmlichen 3D-Druckverfahren. Dennoch gibt es einige sehr interessante Materialien.

SMP (Shape Memory Polymers)

Dies sind Polymere, die bei Raumtemperatur steif 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 Basis von TPU (thermoplastisches Polyurethan), das eine Nachbearbeitung ermöglicht, um die Form der in 3D gedruckten Teile zu ändern. Dank seiner speziellen Zusammensetzung und der Shape Memory Polymer-Technologie können Teile, die mit diesem Filament gedruckt wurden, manuell verändert werden, um eine andere Form zu erhalten und diese beizubehalten.

Der Prozess der Formänderung eines mit TPU-SMP-Filament gedruckten Teils besteht darin, das gedruckte Teil in einen Behälter mit heißem Wasser zu geben, bis es seinen Glasübergangspunkt erreicht. Zu diesem Zeitpunkt wird das Teil weich und der Benutzer kann seine Form leicht ändern. Nach dem Abkühlen behält das Teil die angenommene Form bei und bleibt stabil. Außerdem können Teile, die mit dem TPU-SMP-Filament gedruckt wurden, den ursprünglichen Zustand wiederherstellen, indem sie den durchgeführten Prozess umkehren, d.h. indem sie erneut den Glasübergangspunkt des Materials erreichen.

LCE (Liquid Crystal Elastomers)

Sie enthalten Flüssigkristalle, die empfindlich auf Hitze reagieren. Durch Steuerung ihrer Ausrichtung kann die gewünschte Form programmiert werden: Unter dem Einfluss von Hitze entspannt sich das Material und ändert sich gemäß dem vorgegebenen Code.

Hydrogele

Das sind Polymerketten, die hauptsächlich aus Wasser bestehen und hauptsächlich bei der Fotopolymerisation verwendet werden. Letztere sind aufgrund ihrer Biokompatibilität vor allem im medizinischen Bereich verbreitet.

Zusätzlich können einige 4D-Druckprozesse verschiedene Materialien verwenden, insbesondere Verbundstoffe wie Holz oder Kohlenstoff, die den SMPs oder Hydrogelen hinzugefügt werden. Dadurch entstehen Objekte mit starren und beweglichen Bereichen.

Anwendungen

Angesichts der vielfältigen Vorteile, die solch intelligente Materialien bieten, sind die Anwendungen des 4D-Drucks zahlreich.

Bauwesen

Der Bau von Strukturen, die an die Wetterbedingungen angepasst sind, wie Brücken, Schutzhütten oder andere Einrichtungen, würde einen enormen Fortschritt auf diesem Gebiet darstellen. 4D-Ziegelsteine, die in der Lage sind, Wände und Decken zu verändern und sich an die Umgebung anzupassen, könnten die Bedingungen im Inneren verändern und verbessern.

Video 2: Programmierbares Holz. Quelle: Self-Assembly Lab, MIT.

Medizin

In diesem Fall bietet der 4D-Druck die Möglichkeit, maßgeschneiderte, intelligente und sich entwickelnde Geräte zu erstellen. Beispielsweise könnte bei der Herstellung eines 4D-Implantats sein Zustand und seine Lebensfähigkeit nach der Integration in den Patienten leichter kontrolliert werden.

Dieses Konzept lässt sich auf die gesamte regenerative Medizin und die Herstellung von Zellstrukturen anwenden. Der 4D-Druck würde es den Zellen ermöglichen, sich je nach Körpertemperatur des Menschen anzupassen. Wenn es um Medikamente geht, wäre es beispielsweise möglich, ein Gerät zu drucken, das die erforderliche Dosis freisetzt, je nach Körpertemperatur des Patienten.

Transport

Vor einigen Monaten haben BMW und das MIT ihr aufblasbares Material vorgestellt, das seine Form und Größe unter dem Einfluss von Luftstößen ändert. Die Anwendungen sind sehr interessant, da wir in Zukunft Reifen haben könnten, die sich bei einem Reifenschaden selbst reparieren oder sich an das Gelände und die Wetterbedingungen der Umgebung anpassen.

In der Luftfahrtindustrie könnte ein im 4D-Druck hergestelltes Bauteil auf atmosphärischen Druck oder Temperaturänderungen reagieren und daher seine Funktion ändern. Airbus arbeitet derzeit an diesen Entwicklungen, da diese Komponenten die Scharniere und hydraulischen Aktuatoren ersetzen könnten und somit die Geräte erheblich reduzieren würden. Darüber hinaus arbeitet Airbus auch an der Entwicklung von Materialien, die auf Wärme reagieren, um ihre Flugzeugmotoren zu kühlen.

Raúl Pulido Casillas, ein spanischer Ingenieur, hat für die NASA einen intelligenten Stoff mit 4D-Druck hergestellt. Das Metallnetz, das aus miteinander verbundenen Silberstücken besteht, hat die thermische Regulation in seinen Druck eingebettet. Das heißt, nicht nur seine Form wurde gedruckt, sondern auch die Funktion der Materialien. Da es in der Lage ist, die Wärme nach außen zu reflektieren und sie im Inneren zu halten, könnte es ein ideales Element zur Herstellung von Raumanzügen oder zur Beschichtung von Raumfahrzeugen sein.

Mode

Auch in der Textilindustrie findet der 4D-Druck seinen Platz. Die Möglichkeit, Schuhe zu drucken, die sich an Bewegung, Aufprall, Temperatur und Luftdruck anpassen, ist eine Möglichkeit. Die US-Armee hat bereits erste Schritte in diesem Bereich unternommen und testet Uniformen, die je nach Umgebung die Farbe ändern oder die Atmung des Soldaten oder die Umgebungstemperatur regulieren.

Auch wenn wir uns noch in den Anfängen befinden, ist sicher, dass die 4D-Technologie die Herstellung und die Natur von Objekten in den kommenden Jahren revolutionieren wird, so wie es die 3D-Drucktechnologie einst getan hat.