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

Was wäre, wenn Rohre sich automatisch selbst reparieren könnten wenn sie reißen oder brechen oder sich die Kleidung je nach Wetter oder Aktivität des Benutzers ändern kann ? Möbel, die sich selbst zusammenbauen, Prothesen, die sich dem Wachstum anpassen... Dies sind nur einige der möglichen Anwendungen, die die 4D-Drucktechnologie realisieren soll.

Bild 1:4D-gedruckte Klaue, die ihre Form verändert. Quelle:Sculpteo.

3D-Druck gibt es seit fast 30 Jahren und während es immer noch im Forschungsprozess steckt, neue Materialien und Anwendungen entdeckt, sind neue Technologien wie 4D entstanden.

Im MIT Self-Assembly Lab haben sie ein Projekt entwickelt, zu dem der 4D-Druck gehört. Sein Zweck ist es, Technologie und Design zu kombinieren, um programmierbare Materialien zu erfinden und Selbstmontagetechnologien mit dem Ziel, Konstruktion, Fertigung, Produktmontage und Leistung neu zu erfinden. Inzwischen eine Studie des Wyss Institute (Teil der Harvard University) ist es gelungen, ein Objekt zu drucken, das bei Kontakt mit Wasser seine Form ändert e, was zu einer Art Blüte seiner Enden führt. Sie entwickelten ein Material, das auf natürlichen Strukturen wie Pflanzen basiert und dem während des Druckvorgangs Zellulosefasern injiziert wurden.

Video 1:Gestaltwandelnde Architektur. Quelle:Harvard University.

Was ist 4D-Druck?

Inspiriert vom Prinzip der Selbstorganisation ist 4D-Druck der 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, durch 3D-Technologie ein Objekt zu erhalten, das sich dank der Eigenschaften des Materials, aus dem es besteht, in der Lage ist, sich zu verändern, wenn es einem Umweltreiz ausgesetzt wird.

Genau das ist der Unterschied zwischen 3D- und 4D-Technologie:die Fähigkeit von Objekten, sich im Laufe der Zeit ohne menschliches Eingreifen zu verändern.

Verwendete Materialien

Der Schlüssel zum 4D-Druck ist nicht so sehr der Prozess , basierend auf den bekannten 3D-Druckern,aber die Materialien. Da es sich um eine relativ neue Technologie handelt, sind die verfügbaren Materialien nicht so vielfältig wie die für den Standard-3D-Druck verwendeten. Es gibt jedoch einige sehr interessante.

SMP (Formgedächtnispolymere)

Polymere, die bei Raumtemperatur starr bleiben und beim Erreichen des Glasübergangspunkts besondere Eigenschaften bieten. Ein Beispiel wäre das TPU SMP von Convena:ein 4D-Filament mit einer Zusammensetzung auf Basis von TPU (Thermoplastisches Polyurethan), das eine Nachbearbeitung ermöglicht, um die Form von 3D-gedruckten Teilen zu modifizieren. Thanks to its special composition and Shape Memory Polymer technology, parts printed with this filament can be modified manually, allowing them to acquire another shape and maintain it over time.

The process of modifying the shape of a 3D printed part with SMP TPU filament consists of placing the 3D printed part in a container of hot water until it reaches its glass transition temperature. At this point, the part softens and the user can easily modify its shape. Once cooled, the part maintains the acquired shape and remains stable. In addition, parts 3D printed with SMP TPU filament can be restored to their original shape by reversing the process. In other words, the material's glass transition temperature is reached again.

LCE (liquid crystal elastomers)

They contain liquid crystals that are sensitive to heat. By controlling their orientation, the desired shape can be programmed: under the effect of temperature, the material will relax and transform according to the dictated code.

Hydrogels

Polymer chains consisting mainly of water , particularly used in light-curing processes. The latter are focused on the medical sector due to their biocompatibility.

In addition, some 4D printing processes can use various materials, mainly composites such as wood or carbon, which are added to SMP or hydrogels. This results in objects with rigid and movable areas.

Applications

Given the many advantages of such intelligent materials, the applications of 4D printing are innumerable.

Construction

The construction of climate-adapted structures such as bridges, shelters or other facilities would be a huge step forward in this field. 4D bricks capable of modifying walls and roofs to suit the environment would allow indoor conditions to be modified and improved.

Video 2:Programmable wood. Source:Self-Assembly Lab, MIT.

Medicine

In this case, 4D printing offers the possibility to create tailor-made, intelligent and evolving devices. For example, by 4D printing an implant, its condition and viability could be more easily monitored once it is integrated into the patient.

This concept is applicable to all regenerative medicine and the fabrication of cellular structures. 4D printing would allow cells to adapt to the human body depending on its temperature, for example. If we talk about medicines, it would be possible, for example, to print a device that would release the required dose depending on the patient's body temperature.

Transport

A few months ago, BMW and MIT presented their inflatable material, which changes shape and size under the effect of air pulses. The applications are very interesting, as in the future we could have tyres that can repair themselves in case of a puncture or adapt to the terrain and weather conditions of the environment.

In the case of the aircraft industry, a 4D printed component could react to atmospheric pressure or temperature changes and thus change its function. Airbus is currently working on such developments, as these components could replace hinges and hydraulic actuators, significantly lightening the devices . In addition, it is also working on the development of heat-reactive materials to cool its aircraft engines.

Raúl Pulido Casillas, a Spanish engineer, has created a 4D-printed smart fabric for NASA. The metallic mesh, made of silver pieces joined together, has thermal regulation programmed into its print. In other words, not only its shape has been printed, but also the function of the materials. As it is able to reflect heat on the outside and retain it on the inside, it could be an ideal element for making astronaut suits or covering spacecraft.

Fashion

In the textile industry, 4D printing is also finding its place. The possibility of printing shoes that adapt to movement, impact, temperature and atmospheric pressure is a possibility. The US military has already made a foray into this field and is testing uniforms that change colour depending on the environment, or that regulate perspiration depending on the soldier's pulse or the ambient temperature.

Although we are still in its infancy, it is certain that 4D technology will revolutionise the manufacture and nature of objects over the next few years, just as 3D printing did in its day.