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23.05.2017

Die vierte Dimension in der Fertigungstechnik

Forscher der ETH Zürich entwickeln neues 4D-Druckverfahren

3D-Druck kennt jeder. Aber 4D-Druck? Gemeint ist damit die einfache Herstellung von Objekten, die sich zeitabhängig verändern können. Wissenschaftler der ETH Zürich ist es nun gelungen, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem sich tragfähige und vorhersagbare Strukturen herstellen lassen.

Das Objekt wird flach gedruckt (links) und kann später in zwei weitere stabile und tragfähige Formen gebracht werden (Mitte und rechts). (© ETH Zürich/T. Chen)

3D-Drucker sind zum Standard vieler Forschungslabors geworden. Derweil wagt eine noch kleine Zahl von Wissenschaftlern weltweit den nächsten Schritt. Sie erweitert die Technik um eine weitere Dimension: die Zeit. Prof. Dr. Kristina Shea, Leiterin des Labors für Produktentwicklung und rechnerbasierte Methoden an der ETH Zürich, gehört zu ihnen.

Beim sogenannten 4D-Druck werden bewegliche und veränderbare Objekte hergestellt, wie etwa flache Bausätze, die sich zu einem späteren Zeitpunkt zu dreidimensionalen Objekten entfalten lassen, oder sogar Objekte, die ihre Form in Abhängigkeit von äußeren Einflüssen ändern können.

Shea und ihr Team haben diesen Ansatz nun um einen entscheidenden Schritt weitergebracht. Sie entwickelten ein Konstruktionsprinzip, dank dem sich die Formänderungen genau kontrollieren lassen. „Unsere flach hergestellten Strukturen verändern ihre Konfiguration nicht irgendwie, sondern genau wie von uns vorgesehen“, sagt Tian Chen, Doktorand in Sheas Gruppe. Außerdem können die Strukturen mit Gewicht belastet werden.

Element mit zwei Zuständen

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

Kern des Verfahrens ist ein von ihnen entwickeltes Hubelement, das einen von zwei möglichen Zuständen einnehmen kann: Es ist entweder eingezogen oder ausgefahren. Die Wissenschaftler kombinierten diese Elemente zu komplexeren Strukturen.

Weil die Einzelelemente nur die beiden definierten Zustände einnehmen, können sie die stabilen dreidimensionalen Formen der Gesamtstruktur voraussagen. Möglich sind auch Strukturen, die mehrere stabile Formen einnehmen können. Dank der selbstentwickelten Software lassen sich Formen und Kraft, die für Formänderungen aufgewendet werden müssen, genau voraussagen. Dies dient den ETH-Forschern beim Entwurf von Objekten.

Die Wissenschaftler druckten ihre Strukturen mit einem professionellen Multimaterial-3D-Drucker, mit dem sich Objekte aus bis zu 14 verschiedenen Materialien drucken lassen [1]. Die Halterung, der Stift und der Mittelteil sind mit einem starren Kunststoff gefertigt und dadurch viel steifer als die Gelenke, die mit einem nachgiebigen Elastomer gefertigt wurden Der Neigungswinkel der Traversenglieder wird auf α = tan (w0 / L) = 45 ° eingestellt, was eine gemeinsame Drehung von 90 ° ergibt. Dieser Wert liegt unterhalb der Stabilitätsgrenze. An den äußersten Enden kommen zwei Basismaterialien namens TangoBlackPlus (TB +) und VeroWhitePlus (VW +) zum Einsatz. Shea und ihr Team drucken die Bauteile in einem Schritt.

Effizient und schnell

„Der 4D-Druck hat mehrere Vorteile“, so Shea. Eine flache Ausgangsform mit starren und beweglichen Abschnitten in einem Schritt zu drucken, ist sehr effizient. Viel komplexer und zeitaufwendiger wäre es hingegen, solche Objekte dreidimensional herzustellen oder sie aus mehreren losen Komponenten zusammenzubauen. „Außerdem können die flachen Strukturen platzsparend transportiert und erst an ihrem Bestimmungsort entfaltet werden“, erklärt Shea weiter.

Ähnliche Ansätze werden schon seit einiger Zeit in der Raumfahrt verfolgt, beispielsweise um Werkzeuge in einem komprimierten Zustand platzsparend ins All zu transportieren. Die Wissenschaftler denken aber auch an Strukturen für die Gebäudetechnik, etwa Ventilationssysteme oder Systeme zum Öffnen und Schließen von Klappen, oder medizinische Anwendungen wie beispielsweise Stents (implantierbare Stützen für Körpergefäße).

Derzeit entstehen die Strukturen noch von Hand. Das Team arbeitet daran, für ihre Elemente Antriebe zu entwickeln, welche die Strukturen temperaturabhängig ausfahren. Ebenfalls möglich wäre es, eine pneumatische Steuerung (mit Druckluft) oder quellende Materialien, welche ihre Form je nach Feuchte verändern, zu verwenden.

Der Autor: Fabio Bergamin studierte in Basel und Straßburg Biotechnologie und promovierte an der Universität Bern im Fach Immunologie. Seit 2011 arbeitet er als Wissenschaftsredakteur in der Hochschulkommunikation der ETH Zürich.

zusätzliche Links

Ein Video von der gedruckten Struktur finden Sie hier

ETH Zürich

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