4D-Druck: Revolution der additiven Fertigung für adaptive Lösungen

Was wäre, wenn Rohre sich automatisch selbst reparieren könnten, wenn sie reißen oder brechen, oder Kleidung sich an Wetter oder Aktivität des Trägers anpassen könnte? Möbel, die sich selbst zusammenbauen, Prothesen, die mitwachsen... Dies sind nur einige der potenziellen Anwendungen, die die 4D-Druck-Technologie verwirklichen soll.

Bild 1: 4D-gedruckter Greifer, der seine Form verändert. Quelle: Sculpteo.

3D-Druck gibt es seit fast 30 Jahren und während er noch immer in Forschung, Entdeckung neuer Materialien und Anwendungen steckt, sind neue Technologien wie 4D entstanden.

Im MIT Self-Assembly Lab wurde ein Projekt entwickelt, zu dem der 4D-Druck gehört. Ziel ist es, Technologie und Design zu verbinden, um programmierbare Materialien und Selbstmontage-Technologien zu erfinden, mit dem Ziel, Bauwesen, Fertigung, Produktmontage und Performance neu zu erfinden. Gleichzeitig hat eine Studie des Wyss Institute (Teil der Harvard University) es geschafft, ein Objekt zu drucken, das bei Kontakt mit Wasser seine Form ändert, was zu einer Art „Blühen“ seiner Enden führt. Sie entwickelten ein Material basierend auf natürlichen Strukturen wie Pflanzen, das während des Druckprozesses mit Zellulosefasern injiziert wurde.

Video 1: Formwandelnde Architektur. Quelle: Harvard University.

Was ist 4D-Druck?

Inspiriert vom Prinzip der Selbstmontage ist 4D-Druck der Prozess, bei dem ein 3D-gedrucktes Objekt durch externe Energieeinträge wie Temperatur, Licht oder andere Umweltreize in eine andere Struktur transformiert wird. Man erhält also ein Objekt durch 3D-Technologie, das dank der Eigenschaften seines Materials in der Lage ist, sich unter Umwelteinfluss zu verändern.

Genau dies ist der Unterschied zwischen 3D- und 4D-Technologie: die Fähigkeit von Objekten, sich über die Zeit ohne menschliches Zutun zu transformieren.

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 recht neue Technologie handelt, sind die verfügbaren Materialien nicht so vielfältig wie beim Standard-3D-Druck. Dennoch gibt es einige sehr interessante:

SMP (Shape Memory Polymere / Formgedächtnispolymere)

Polymere, die bei Raumtemperatur starr bleiben und besondere Eigenschaften entfalten, wenn sie den Glasübergangspunkt erreichen. Ein Beispiel ist Convena's TPU SMP: ein 4D-Filament auf Basis von TPU (thermoplastisches Polyurethan), das Nachbearbeitung zur Formänderung 3D-gedruckter Teile ermöglicht. Dank seiner speziellen Zusammensetzung und Shape-Memory-Polymer-Technologie können mit diesem Filament gedruckte Teile manuell umgeformt werden, die neue Form behalten und über die Zeit stabil bleiben.

Der Formänderungsprozess eines 3D-gedruckten Teils mit SMP-TPU-Filament besteht darin, das Teil in heißes Wasser zu legen, bis es seine Glasübergangstemperatur erreicht. An diesem Punkt wird das Teil weich und der Anwender kann seine Form leicht ändern. Nach dem Abkühlen behält das Teil die angenommene Form bei und bleibt stabil. Zudem können mit SMP-TPU-Filament gedruckte Teile durch Umkehrung des Prozesses in ihre ursprüngliche Form zurückgebracht werden – also indem die Glasübergangstemperatur des Materials erneut erreicht wird.

LCE (Flüssigkristall-Elastomere)

Sie enthalten Flüssigkristalle, die wärmeempfindlich sind. Durch Steuerung ihrer Orientierung kann die gewünschte Form programmiert werden: unter Temperatureinfluss entspannt sich das Material und transformiert gemäß dem vorgegebenen Code.

Hydrogele

Polymere Ketten, die hauptsächlich aus Wasser bestehen, besonders in lichtaushärtenden Prozessen eingesetzt. Letztere fokussieren auf den medizinischen Sektor aufgrund ihrer Biokompatibilität.

Zusätzlich können einige 4D-Druckprozesse verschiedene Materialien verwenden, hauptsächlich Verbundwerkstoffe wie Holz oder Kohlenstoff, die zu SMP oder Hydrogelen hinzugefügt werden. Dies ergibt Objekte mit starren und beweglichen Bereichen.

Anwendungen

Angesichts der vielen Vorteile solcher intelligenter Materialien sind die Anwendungen des 4D-Drucks zahllos.

Bauwesen

Der Bau klimangepasster Strukturen wie Brücken, Unterkünfte oder andere Einrichtungen wäre ein gewaltiger Fortschritt in diesem Bereich. 4D-Steine, die Wände und Dächer an die Umgebung anpassen können, würden es ermöglichen, Innenraumbedingungen zu modifizieren und zu verbessern.

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

Medizin

Hier bietet 4D-Druck die Möglichkeit, maßgeschneiderte, intelligente und sich entwickelnde Geräte zu schaffen. Beispielsweise könnte durch 4D-Druck eines Implantats dessen Zustand und Lebensfähigkeit nach der Integration in den Patienten leichter überwacht werden.

Dieses Konzept gilt für die gesamte regenerative Medizin und die Fertigung zellulärer Strukturen. 4D-Druck würde es Zellen ermöglichen, sich an den menschlichen Körper anzupassen, je nach dessen Temperatur. Bei Medikamenten wäre es beispielsweise möglich, ein Gerät zu drucken, das die erforderliche Dosis je nach Körpertemperatur des Patienten freisetzt.

Transport

Vor einigen Monaten präsentierten BMW und MIT ihr aufblasbares Material, das unter Lufteinwirkung Form und Größe ändert. Die Anwendungen sind sehr interessant: in Zukunft könnten Reifen sich bei Reifenpanne selbst reparieren oder sich an Gelände und Wetterbedingungen anpassen.

In der Luftfahrt könnte eine 4D-gedruckte Komponente auf atmosphärische Druck- oder Temperaturänderungen reagieren und dadurch ihre Funktion ändern. Airbus arbeitet derzeit an solchen Entwicklungen, da diese Komponenten Scharniere und hydraulische Aktuatoren ersetzen könnten und die Geräte erheblich leichter machen. Zudem arbeitet Airbus an wärmereaktiven Materialien zur Kühlung von Flugzeugtriebwerken.

Raúl Pulido Casillas, ein spanischer Ingenieur, hat einen 4D-gedruckten intelligenten Stoff für die NASA entwickelt. Das metallische Gitter aus miteinander verbundenen Silberstückchen hat thermische Regulierung in seinen Druck programmiert. Das heißt, nicht nur seine Form wurde gedruckt, sondern auch die Funktion der Materialien. Da es Wärme nach außen reflektiert und innen speichert, könnte es ein ideales Element für Astronautenanzüge oder die Beschichtung von Raumfahrzeugen sein.

Mode

In der Textilindustrie findet 4D-Druck ebenfalls Platz. Die Möglichkeit, Schuhe zu drucken, die sich an Bewegung, Aufprall, Temperatur und Luftdruck anpassen, besteht. Das US-Militär hat bereits in diesem Bereich Fuß gefasst und testet Uniformen, die je nach Umgebung die Farbe wechseln, oder die Schweißregulierung je nach Puls des Soldaten oder Umgebungstemperatur steuern.

Obwohl wir noch in den Kinderschuhen stecken, ist sicher, dass die 4D-Technologie in den kommenden Jahren die Fertigung und Natur von Objekten revolutionieren wird, so wie es der 3D-Druck seinerzeit tat.