Was ist überhaupt 4D-Druck?

Stellen Sie sich vor, Sie kaufen Schuhe, die sich selbst an Ihre Füße anpassen, oder entwickeln ein medizinisches Gerät, das sich perfekt an die Anatomie eines Patienten anpasst, wenn es durch einen bestimmten Reiz ausgelöst wird. Dies sind nur einige der Einsatzmöglichkeiten des 4D-Drucks – ein spannendes, wachsendes Forschungsgebiet.

Obwohl der 4D-Druck wie aus einem Science-Fiction-Roman erscheinen mag, sagt Gartner voraus, dass bis 2023 300 Millionen US-Dollar in den 4D-Druck investiert werden, obwohl die Technologie noch weit von der kommerziellen Verfügbarkeit entfernt ist.

Was genau ist 4D-Druck und wie können Hersteller davon profitieren?

Der heutige Artikel befasst sich mit der Funktionsweise des 4D-Drucks sowie den aktuellen und zukünftigen Anwendungen der Technologie.

Was ist 4D-Druck?

4D-Druck gibt 3D-gedruckten Objekten die Möglichkeit, ihre Form im Laufe der Zeit zu ändern. Der Begriff „4D-Druck“ bezieht sich auf diese zusätzliche vierte Dimension:Zeit.

Die aufkommende Technologie kombiniert 3D-Drucktechniken mit Materialwissenschaft, Ingenieurswesen und Software auf höchstem Niveau.

Materialien spielen beim 4D-Druck eine entscheidende Rolle, da die Technologie Materialien verwendet, die speziell entwickelt wurden, um auf einen bestimmten Reiz zu reagieren.

Gemeinsame Reize, die dazu führen können, dass sich hergestellte Objekte verändern, sind Temperaturänderungen, Licht, Wasser, Magnetfelder sowie chemische und andere Umweltfaktoren.

Wenn 4D-gedruckte Objekte von einer externen Quelle ausgelöst werden, können sie sich in vorgegebene Formen falten oder entfalten, was die Tür zu einer Reihe spannender Anwendungen öffnet, die wir im Folgenden untersuchen.

Wie unterscheidet sich der 4D-Druck vom 3D-Druck?

3D-Druck ist eine Rapid-Prototyping- und Fertigungstechnologie, bei der Material Schicht für Schicht aufgetragen wird, um dreidimensionale Objekte zu erstellen.

Im Grunde verwendet der 4D-Druck die gleichen Techniken wie der 3D-Druck, um Teile herzustellen. Der Hauptunterschied besteht darin, dass 4D-gedruckte Objekte nach dem Drucken ihre Form im Laufe der Zeit ändern, während 3D-gedruckte Objekte die gleiche, feste Form beibehalten.

Während des 4D-Prozesses wird ein geometrischer Code hinzugefügt, der „Anweisungen“ enthält, wie sich eine Form bewegt oder ändert, wenn sie durch einen Stimulus ausgelöst wird. Dieser Vorprogrammierungsschritt ermöglicht die Erstellung intelligenter, reaktionsschneller Objekte, die sich an bestimmte Umgebungsfaktoren anpassen können.

Wie funktioniert 4D-Druck?

Um sich mit dem 4D-Druck vertraut zu machen, muss man zunächst verstehen, wie ein Material auf einen bestimmten Reiz reagiert. Mit diesem Wissen über das Materialverhalten können Ingenieure ein Objekt mit Variationen in seiner Materialstruktur entwerfen.

Basierend auf digitalem CAD-Design wird ein Modell dann in 3D gedruckt, entweder in einem einzigen oder in einem Verbundmaterial.

Nach Abschluss des Druckvorgangs bestimmt ein vorprogrammierter geometrischer Code, wie verschiedene Bereiche des Objekts auf einen bestimmten Reiz reagieren sollen.

Mit diesem Ansatz können Ingenieure Komponenten erstellen, die vorbestimmte Formen annehmen oder sich auf bestimmte Weise falten und entfalten, wenn sie durch einen bestimmten Reiz ausgelöst werden.

Es gibt mehrere 3D-Drucktechnologien, die sich für die Verarbeitung von programmierbaren oder „intelligenten“ Materialien eignen:

• Stereolithographie (SLA),
• Fused Filament Fabrication (FFF),
• Material Jetting,
• Selektives Laserschmelzen (SLM).

Während die ersten drei typischerweise mit polymerbasierten Materialien arbeiten, sind gängige SLM-Materialien Metalle.

Die jüngsten Fortschritte im 4D-Druck sind insbesondere auf die Fortschritte in der Material Jetting-Technologie zurückzuführen, die den Multimaterialdruck ermöglicht. Diese Technologie funktioniert durch das Ausstoßen von Materialtröpfchen, wodurch ihre Abscheidung genau kontrolliert werden kann.

Welche Materialien können 4D gedruckt werden?

Wie wir gesehen haben, verwendet die Technologie speziell entwickelte „intelligente“ Materialien, die eine oder mehrere Eigenschaften aufweisen, die durch externe Auslöser geändert werden können.

Obwohl das Portfolio an 4D-Druckmaterialien aufgrund des frühen Stands der Technologie noch recht begrenzt ist, haben wir im Folgenden einige der vielversprechendsten Materialien skizziert, die im 4D-Druck verwendet werden können:

Hydrogele

Hydrogele sind hydrophile Netzwerke aus Polymerketten, die eine große Menge Wasser zurückhalten können. Hydrogele können in UV-härtbaren 3D-Drucktechnologien verwendet und so programmiert werden, dass sie ihre Form als Reaktion auf Temperaturänderungen ändern.

Da ihre Zusammensetzung hauptsächlich aus Wasser besteht, sind Hydrogele biokompatibel und daher besonders gut für medizinische Anwendungen geeignet. Hydrogele können auch in Anwendungen wie Softrobotik und flexibler Elektronik verwendet werden.

Im vergangenen Jahr entwickelten Ingenieure der Rutgers University eine 4D-Druckmethode, um ein intelligentes Gel herzustellen, das die Schaffung lebender Strukturen in menschlichen Organen unterstützen könnte und Tücher  Das verwendete Material? Hydrogel.

In dieser Anwendung ändert das Hydrogel-Material seine Form, wenn es Temperaturänderungen ausgesetzt wird. Neben der Förderung biomedizinischer Anwendungen könnte diese Entwicklung auch neue Anwendungen in der Softrobotik ermöglichen, einschließlich flexibler Sensoren und Aktoren.

Weitere Informationen finden Sie im Video von Rutgers unten:

Formgedächtnispolymere

Formgedächtnispolymere (SMPs) sind polymere intelligente Materialien, die die Fähigkeit haben, sich von einer festen temporären Form in ihre ursprüngliche Form zu verschieben, wenn sie einem externen Stimulus ausgesetzt werden.

Aufgrund ihrer aktiven Betätigungsfähigkeit (die Fähigkeit, einen Mechanismus oder ein System zu bewegen und zu steuern) haben SMPs verschiedene Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, bei Softrobotern, in der Biomedizin und in anderen Bereichen gefunden.

Formgedächtnislegierungen

Formgedächtnislegierungen (SMAs) sind Smart-Metal-Materialien, die ähnlich wie SMPs ein „Gedächtnis“ an ihre ursprüngliche Form behalten und nach einer Verformung unter einem Stimulus wieder in diese ursprüngliche Form zurückkehren können.

SMAs können in einer Vielzahl von Bereichen verwendet werden, beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt, im Bauwesen und in biomedizinischen Geräten.

Keramik

Im vergangenen Jahr demonstrierte ein Forschungsteam der City University of Hong Kong eine neuartige Keramiktinte, die Polymere und keramische Nanopartikel kombiniert.

Die mit dieser Tinte gedruckten 3D-gedruckten Keramikvorstufen sind weich und können dreimal über ihre ursprüngliche Länge gedehnt werden. Einige der vielversprechenden Anwendungen dieses Materials umfassen elektronische Geräte sowie Anwendungen in der Luft- und Raumfahrtindustrie.

Spannende Anwendungen des 4D-Drucks

Der 4D-Druck birgt ein spannendes Potenzial für die Art und Weise, wie Produkte heute hergestellt werden. Schauen wir uns die Möglichkeiten des 4D-Drucks genauer an.

Luft- und Raumfahrt

Die Fähigkeit, intelligente Materialien herzustellen, die auf externe Faktoren reagieren, ist ein entscheidender Vorteil für die Luft- und Raumfahrtindustrie. Hier können mithilfe des 4D-Drucks selbstentfaltende Strukturen für die Belüftung, die Motorkühlung und ähnliche Anwendungen hergestellt werden.

Airbus SAS arbeitet bereits in Zusammenarbeit mit dem Self-Assembly Lab des MIT mit 4D-Druck, um eine Lösung zu entwickeln, die seine Motoren in Abhängigkeit von Temperatur und anderen Faktoren kühlt.

In einem Beispiel arbeiteten Airbus und MIT an der Entwicklung einer Lufteinlasskomponente, die sich als Reaktion auf aerodynamische Bedingungen verändern kann, um den Luftwiderstand zu verringern.

Der geschaffene Lufteinlass kann sich selbst anpassen, um die automatische Steuerung des Luftstroms zu ermöglichen, der zur Kühlung des Motors verwendet wird. Unter Verwendung von Kohlefaser haben die Ingenieure das Material so programmiert, dass es auf Druckkräfte reagieren kann.

Der Einlass wurde erfolgreich in einem Windkanal getestet und könnte in Zukunft anstelle der schweren mechanischen Systeme verwendet werden, die diese Aufgabe derzeit erfüllen.

Weltraummissionen können ebenfalls davon profitieren 4D-Druck. Forscher des Georgia Institute of Technology nutzten beispielsweise Formgedächtnispolymere, um die Struktur aus Streben in 3D zu drucken. Diese Struktur ist vorübergehend flach gefaltet, kann sich jedoch bei Hitzeeinwirkung entfalten. Forscher glauben, dass ihre Erfindung verwendet werden kann, um Antennen für Raumfahrzeuge und formverändernde weiche Roboter herzustellen.

Verteidigung

Die Vorteile des 3D-Drucks für die Verteidigungsindustrie sind vielfältig. Jetzt sucht die Industrie nach 4D-Druck für weitere Anwendungen.

Eine der vielversprechenderen Anwendungen des 4D-Drucks könnten Militäruniformen sein, die ihre Tarnung ändern oder bei Kontakt besser vor giftigen Gasen oder Splittern schützen können.

Forscher untersuchen auch Möglichkeiten, wie das Militär sich selbst zusammenbauende Objekte verwenden könnte, einschließlich der Möglichkeit von Unterständen oder Brücken, die sich selbst zusammenbauen.

Medizin

Das Potenzial des 4D-Drucks im medizinischen Bereich ist enorm. Hier könnte die Technologie in Anwendungen eingesetzt werden, die von Tissue Engineering und intelligenten biomedizinischen Geräten bis hin zur Herstellung von Nanopartikeln und Nanorobotern für die Chemotherapie reichen.

Zum Beispiel haben Forscher des MIT eine 3D-druckbare Tinte entwickelt, die mit magnetischen Mikropartikeln angereichert ist. 3D-gedruckte Strukturen mit diesem Material sind magnetisch und können daher ferngesteuert werden.

Diese Technologie könnte verwendet werden, um Geräte herzustellen, die durch einen Magneten durch den Magen-Darm-Trakt geführt werden können, um Bilder aufzunehmen, Gewebeproben zu entnehmen, eine Blockade zu beseitigen oder bestimmte Medikamente an einen bestimmten Bereich des Körpers abzugeben .

Eine weitere potenzielle Anwendung des 4D-Drucks liegt im Tissue Engineering. Auf diesem Gebiet könnten biokompatible Hydrogele verwendet werden, um eine künstliche Haut für Transplantate und sogar Implantate zu drucken, die ihre Form und Funktion ohne Eingriff von außen verändern können.

Automobil

Im Jahr 2016 präsentierte BMW seine futuristische Vision eines Konzeptfahrzeugs mit 4D-Druck. Eines der Elemente war die Verwendung von 4D-Druck zur Herstellung von Autokomponenten, die sich an sich ändernde Umweltbedingungen anpassen können.

Während dies nur ein Konzept war, entwickelte der Autohersteller zwei Jahre später in Zusammenarbeit mit dem Selbstmontagelabor des MIT kündigte die Erstellung einer aufblasbaren 4D-Struktur an, die sich basierend auf Änderungen des Luftdrucks selbst anpassen kann. Das aufblasbare Material aus Silikon spiegelt die BMW Vision des adaptiven Designs wider.

Eine Möglichkeit, die 4D-Struktur zu nutzen, ist für Autositze, die adaptiven Halt und Komfort bieten – oder sogar für Aufprallleistungen in Form von Airbags.

Konsumgüter

Die Herstellung von Konsumgütern ist ein weiterer Bereich, der durch den 4D-Druck neu gedacht werden könnte. Die Technologie könnte beispielsweise verwendet werden, um Flatpack-Möbelstücke wie Stühle und Tische herzustellen, die sich beim Auslösen selbst zusammenbauen.

Nach dem Kauf würden sich 4D-gedruckte Möbel einfach von selbst zusammenziehen – es ist nicht mehr erforderlich, eine Kiste zu öffnen und alle Teile manuell zusammenzubauen. Dies könnte letztendlich zu Produkten führen, die weniger Lagerplatz benötigen und den Transport erleichtern.

4D-Druck:das nächste große Ding?

Der 4D-Druck ist ein faszinierendes Gebiet, das der Fertigung spannende Möglichkeiten eröffnet. Die Möglichkeit, Objekte mit programmierbarer Funktionalität herzustellen, könnte die Art und Weise, wie Waren hergestellt werden, verändern.

Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass sich die meisten der hier besprochenen Projekte noch in der Forschungs- und Erprobungsphase befinden – und die Technologie noch lange vor sich hat, bis sie für Unternehmen wirtschaftlich rentabel ist.

Im Laufe der Forschung könnten die Auswirkungen des 4D-Drucks jedoch enorme und berührende Anwendungen in einer Reihe von Branchen sein.

Realistisch gesehen wird es mehrere Jahre oder vielleicht sogar ein Jahrzehnt oder länger dauern, bis wir Mainstream-Anwendungen des 4D-Drucks sehen. Die Technologie dürfte jedoch der Entwicklung des 3D-Drucks folgen und zur nächsten disruptiven Technologie in der Fertigung werden.