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4D-Druck: Eine Technologie aus der Zukunft

Einleitung

Die 3D-Drucktechnologie gibt es nun schon seit fast 30 Jahren. Doch während die additive Fertigungsindustrie immer noch neue Anwendungen, neue Materialien und neue 3D-Drucker entdeckt, entsteht eine weitere Technologie.

Sie wird 4D-Druck genannt und kommt direkt aus der Zukunft! Doch wie wird dem 3D-Druck noch eine vierte Dimension hinzugefügt?  In diesem Artikel werden wir uns näher mit diesem Thema beschäftigen und gemeinsam die 4D-Drucktechnologie selbst durchgehen, ihr Potenzial und ihre zukünftigen Anwendungen untersuchen.

Was ist 4D-Druck?

4D-Druck ist der Prozess, durch den sich ein 3D-gedrucktes Objekt unter dem Einfluss von externer Energiezufuhr wie Temperatur, Licht oder anderen Umweltreizen in eine andere Struktur verwandelt.

Diese Technologie ist ein Teil des Projekts des MIT „Self-Assembly Lab“. Das Ziel dieses Projekts ist es, Technologie und Design zu kombinieren, um Selbstmontage und programmierbare Materialtechnologien zu erfinden. Diese zielen darauf ab, die Konstruktion, Fertigung, Produktmontage und Leistung neu zu gestalten.

Im Video oben sehen wir eine flach gedruckte Struktur, die sich, sobald sie in heißes Wasser gelegt wird, langsam zu einer anderen Struktur faltet. Das Video unten ist ein Test des MIT Self-Assembly Labors, welche die Funktionalität der Formveränderung demonstriert. 

4D Druck: Selbstfaltender Oberflächenwürfel vom MIT Self-Assembly Lab

Was ist der Unterschied zwischen 3D-Druck und 4D-Druck?

Offensichtlich hat der 4D-Druck ein “D” mehr als der 3D-Druck. Doch was bedeutet das und warum bringt es einen so großen Mehrwert für die Technologie? Beim 3D-Druck geht es darum, eine 2D-Struktur Schicht für Schicht in einem Druckpfad von unten nach oben zu wiederholen, bis ein 3D-Volumen entstanden ist. Beim 4D-Druck handelt es sich um einen 3D-Druck, der sich im Laufe der Zeit verändert. Es kommt also eine vierte Dimension hinzu: die Zeit. Der große Durchbruch des 4D-Drucks gegenüber der 3D-Drucktechnologie ist also die Fähigkeit, die Form mit der Zeit zu verändern.

A 4D-printed gripper grabs an object when the temperature is optimal

Ein 4D-gedruckter Greifer packt ein Objekt, bei einer optimalen Temperatur.

Ein 4D-gedrucktes Objekt wird genauso produziert wie jede 3D-gedruckte Form. Der Unterschied besteht darin, dass die 4D-Drucktechnologie programmierbare und fortschrittliche Materialien verwendet, die durch Zugabe von heißem Wasser, Licht oder Wärme eine andere Funktion erfüllen. Deshalb kann ein nicht-lebendes Objekt seine 3D-Form und sein Verhalten im Laufe der Zeit ändern.

Wie funktioniert der 4D-Druck?

Die 4D-Drucktechnologie verwendet kommerzielle 3D-Drucker, wie z. B. den Polyjet 3D-Drucker. Der Input ist ein “intelligentes Material”, das entweder ein Hydrogel oder ein „Shape Memory“ Polymeren sein kann. Dank ihrer thermomechanischen Eigenschaften sowie anderer Materialeigenschaften erhalten smarte Materialien die Eigenschaft der Formveränderung und unterscheiden sich von den üblichen 3D-Druckmaterialien.

Auf der anderen Seite zeichnen sich die mit der 3D-Drucktechnologie gedruckten Objekte durch Steifigkeit aus. Das bedeutet, dass die 3D-gedruckten Objekte ihre einmal gedruckte 3D-Form beibehalten werden.

Diagram by Jean-Claude André | Scientific Advisor at INSIS

Diagramm angepasst aus [F. Momeni et al. / Materials and Design 122 (2017) 42-79], neu gezeichnet von Jean-Claude André | Wissenschaftlicher Berater bei INSIS

Vorteile des 4D-Drucks

Größe ändern

Der offensichtlichste Vorteil des 4D-Drucks besteht darin, dass durch die rechnerische Faltung Objekte, die eigentlich größer als der Drucker sind, als ein Teil gedruckt werden können. Da die 4D-gedruckten Objekte ihre Form verändern, schrumpfen und sich entfalten können, können Objekte, die zu groß für einen Drucker sind, für den 3D-Druck in ihre Sekundärform komprimiert werden.

Volume reduction by 87% with two folds | Photo by n-e-r-v-o-u-s.com

Volumenreduzierung um 87 % mit zwei Faltungen | Photo by n-e-r-v-o-u-s.com

Neue Materialien = neue Eigenschaften

Ein weiterer Vorteil der 4D-Drucktechnologie ist die Nutzung der möglichen Materialien. 4D-Druck hat ein enormes Potenzial, die Welt der Materialien, wie wir sie heute kennen, zu revolutionieren. Stellen Sie sich vor, dass der 4D-Druck auf eine Vielzahl von intelligenten Materialien angewendet werden kann, die wir uns heute nicht einmal vorstellen können!

Bis jetzt haben wir Experimente mit Multimaterialien aus „Shape Memory“ Polymeren gesehen. Materialien, wie die im unten gezeigten Video, “erinnern” sich an ihre Form und verändern aktiv ihre Konfigurationen im Laufe der Zeit als Reaktion auf Umweltreize. Diese „Shape Memory“ Polymeren, die maßgeschneiderte Formen annehmen, sind sehr wichtig für die Gesundheitsindustrie. Es können zum Beispiel Geräte produziert werden, die ihre Form verändern, wenn der Patient Fieber bekommt und somit Medikamente abgeben.

Mögliche Anwendungen des 4D-Drucks

Die obenstehenden Videos demonstrieren auf sehr einfache Weise den 4D-Druckprozess. Denn auch wenn diese Beispiele nicht von großer Komplexität geprägt sind, können wir ein großes Potenzial in dieser Technologie erahnen.

Selbstreparierendes Rohrleitungssysteme

Eine mögliche Anwendung des 4D-Drucks in der realen Welt wären Rohre eines Sanitärsystems, die ihren Durchmesser in Abhängigkeit von der Durchflussmenge und dem Wasserbedarf dynamisch verändern. Rohre, die sich möglicherweise selbst reparieren könnten, wenn sie reißen oder brechen, da sie sich als Reaktion auf die Veränderung der Umgebung verändern können.

Selbstmontierte Möbel

Da der 3D-Druck von Möbeln durch die Größe des Druckers begrenzt ist, könnte der 4D-Druck es ermöglichen, einfach eine flache Platte zu drucken, die sich dann durch Wasser oder Licht zu einem Stuhl zusammenrollt. Stellen Sie sich diesen Prozess als eine komplexere Version des unten gezeigten Videos vor.

Programmierbares Holz vom Self-Assembly Lab, MIT.

XL 4D-Druck unter extremen Bedingungen 

4D-Druck: „Surface to Sine Wave“ vom Self-Assembly Lab, MIT.

4D-Druck wäre in großen Projekten noch nützlicher. Zum Beispiel in extremen Umgebungen, wie dem Weltraum, kann es sehr vielversprechende Anwendungen haben. Im Weltraum verursacht der 3D-Druckprozess von „buildings“ derzeit einige Probleme in Bezug auf Kosten, Effizienz und Energieverbrauch. Anstelle von 3D-gedruckten Materialien könnten also 4D-gedruckte Materialien verwendet werden, um die Vorteile ihrer transformierbaren Form zu nutzen. Sie könnten die Lösung für den Bau von Brücken, Unterständen oder jeder Art von Installationen sein, da sie sich selbst aufbauen oder im Falle von Wetterschäden selbst reparieren würden.

Medizinische Industrie

Stellen Sie sich andererseits vor, dass der 4D-Druck in einem sehr kleinen Maßstab in Bereichen wie der Medizin angewendet wird. 4D-gedruckte Proteine könnten eine großartige Anwendung sein, wie das Beispiel des sich selbst rekonfigurierenden Proteins im folgenden Video zeigt. Ein weiteres spezielles Material, an dem Forscher arbeiten, ist ein selbstfaltendes Protein.

4D-Druck: Selbstfaltende Proteine vom Self-Assembly Lab, MIT.

Eine weitere Anwendung des 4D-Drucks im medizinischen Bereich könnte das Design von Stents sein. Programmierte Stents würden durch den menschlichen Körper wandern und sich öffnen, wenn sie ihr Ziel erreicht haben.

Mode

4D-Druck könnte auch das Gesicht der Mode verändern. Das Self-Assembly Printing Lab des MIT untersucht mögliche Anwendungen von 4D-Technologien in diesem Bereich. Eine der Ideen ist, dass sich Kleidung entsprechend dem Wetter oder der Aktivität verändern könnte. Zum Beispiel könnten Schuhe ihre Form ändern, wenn Sie anfangen zu laufen, um Ihnen einen besseren Komfort und eine bessere Amortisation zu bieten.

Aktuelle 4D-Druck-Forschung

MIT’s Self-assembly lab

Das MIT ist ein Pionier bei vielen 3D-Druck-Innovationen und erkunden immer neue Möglichkeiten. Assistenzprofessor Skylar Tibbits gründete das Self-Assembly Printing Lab. Seit 2014 arbeitet Tibbits mit Autodesk zusammen, um 3D-gedruckte Strukturen und deren Verhalten nach dem Druck zu untersuchen. Eines ihrer Projekte ist die oben erwähnte veränderbare Kleidung.

Harvard’s Wyss Institute for biologically inspired engineering

Eine Gruppe von Forschern am Harvard’s Wyss Institute for biologically inspired engineering entwickelte ein spezielles Material namens Hydrogel. Das Material ist inspiriert von Blumen, die ihre Form je nach Umgebung ändern. Es besteht aus Holz Zellulosefibrillen. Sie sollen den Mikrostrukturen ähneln, die Blumen die Fähigkeiten verleihen, ihre Form zu verändern. Wissenschaftliche Berichte belegen, wie revolutionär der 4D-Druck ist.

So kann das Hydrogel die Fähigkeit von Blumen imitieren, ihre Struktur in Abhängigkeit von Temperatur, Feuchtigkeit usw. zu verändern. Der 3D-Druck ermöglicht es den Wissenschaftlern, komplexe Designs mit dem Hydrogel herzustellen.

University of Wollongong

Ein Team von Wissenschaftlern an der University of Wollongong in Australien entwickelte das allererste 4D-gedruckte Wasserventil. Es ist eine große Errungenschaft, denn das Ventil schließt sich, wenn heißes Wasser darauf gegossen wird und weitet sich, wenn die Temperatur sinkt. Dieses Phänomen ist dank der 3D-gedruckten Hydrogel-Tinte möglich, die schnell auf hohe Temperaturen reagiert.

Singapore University of Technology and Design

Forscher der Singapore University of Technology and Design nahmen sich eines weiteren Problems des 4D-Drucks an: seiner Kommerzialisierung. Das Problem liegt in der schwierigen Herstellung der Materialien. Dieses Team entschied sich, einen handelsüblichen Multi-Material-3D-Drucker zu verwenden und 5 Schritte der Materialaufbereitung in nur einem zu kombinieren!

Sie präsentierten diese Entwicklung mit dem 4D-Druck eines flachen Sterns, der sich biegt und in blumenähnliche Objekte verwandelt, wenn er in heißes Wasser gelegt wird.,

Können Sie mit dem 4D-Druck beginnen?

All diese potenziellen Anwendungen sind sehr inspirierend und vielversprechend für die Zukunft! All die bisher durchgeführten Forschungen rund um die Eigenschaften von 3D-gedruckten Materialien haben der additiven Fertigungsindustrie viel zu bieten und tragen sicherlich zu ihrem Wachstum bei.

Auch wenn wir noch ganz am Anfang der Technologie des 4D-Drucks stehen, können wir es kaum erwarten herauszufinden, wie sie die Zukunft der additiven Fertigung beeinflussen wird, so wie der 3D-Druck die traditionelle Fertigung revolutioniert hat.

Der 4D-Druck erfordert noch mehr Forschung und Entwicklung und ist noch nicht für jeden verfügbar. Die Möglichkeit des 3D-Drucks hingegen befindet sich direkt in Ihrem Computer! Mit einem Online-3D-Druckservice können Sie Ihre 3D-Modelle in kürzester Zeit und in bester Qualität produzieren lassen. Erfahren Sie mehr über unsere Materialien und wählen Sie das Passendste für Ihr Projekt!

Falls Sie Fragen zum 3D-Druck haben, können Sie uns gerne kontaktieren, unsere 3D-Druck-Experten helfen Ihnen gerne weiter.

Was genau ist 4D-Druck?

Was ist der Unterschied zwischen 3D- und 4D-Druck?

Wo wird der 4D-Druck eingesetzt?

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