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Intelligente Materialien: Erklärung und Verwendungszweck

Einleitung

Immer häufiger ist von neuen Experimenten im 4D-Druck Bereich zu hören. Die 4D-Drucktechnologie verwendet das gleiche Druckverfahren wie der 3D-Druck, der Unterschied zwischen den beiden Fertigungstechniken liegt im Material: Die Verwendung von sogenannten intelligenten Materialien oder smart materials ermöglicht es, 4D-gedruckte Objekte zu erstellen. Wenn beim 3D-Druck bereits von einer kompletten Veränderung der industriellen Welt gesprochen wird, könnte der 4D-Druck also absolute Revolution gelten. Denn dieses Verfahren ermöglicht die Schaffung von mehr als nur statischen Strukturen.

Was sind intelligente Materialien?

Definition von intelligenten Materialien

Smart materials sind Materialien, die auf äußere Reize reagieren und eine oder mehrere Eigenschaften haben. Man könnte sie auch als reaktionsfähige Materialien bezeichnen. Diese Objekte können ihre Form oder ihr Verhalten durch heißes Wasser, Druck, Chemikalien, Licht oder Wärme verändern.

Differences between 3D printing and 4D printing procedures. Diagram by Jean-Claude André | Scientific Advisor at INSIS

Unterschiede zwischen 3d-Druck- und 4D-Druckverfahren. Diagramm vonJean-Claude André | Wissenschaftlicher Berater bei INSIS

Diese smart materials könnten sich sogar selbst zusammensetzen, wenn man sie berührt. Wenn ein Reiz auf ein solches Objekt ausgeübt wird, kann es sich in eine völlig neue Form verwandeln.

Von der Natur inspirierte Materialien: Das Potenzial von Zellulose

Forscher von der University of Bristol und der University of Bath arbeiten an bioinspirierten Objekten. Sie ließen sich zum Beispiel vom Verhalten eines Kiefernzapfens im Wasser inspirieren. Kiefernzapfen verändern unter Wasser ihre Form, indem die Schuppen sich zusammenziehen.

Für dieses Experiment arbeiteten die Forscher mit Zellulose. Zellulose ist ein sehr saugfähiges Material und außerdem das am häufigsten vorkommende organische Polymer auf der Welt. Sie beschlossen, dieses Material, das in der Lage ist, sich wie der Tannenzapfen zu schließen, wenn es mit Wasser in Berührung kommt, zur Herstellung einer Tinte zu verwenden, indem sie Hydrogel, Tonpartikel und Zellulosepulpe kombinierten. Dieses Experiment führt zur Erschaffung eines intelligenten Materials.

https://3dprintingindustry.com/news/uk-research-collaborative-uncovers-4d-printed-potential-of-cellulose-139735/https://3dprintingindustry.com/news/uk-research-collaborative-uncovers-4d-printed-potential-of-cellulose-139735/

Sich von der Natur inspirieren zu lassen, ist keine neue Methode für Forscher. Man nennt sie eigentlich Biomimicry. Dieser Prozess hilft bei der Entwicklung von neuen Materialien, die neue Produktionsmöglichkeiten mit sich bringen. Wir können die Natur beobachten, von ihr lernen und sie zu unserem Vorteil nutzen. Wenn Sie mehr über Biomimicry erfahren möchten, sollten Sie sich unseren letzten Blogbeitrag darüber ansehen!

Formgedächtnis-Polymere

Ein Formgedächtnispolymer ist ein intelligentes Material, das eine große elastische Verformung als Reaktion auf Umweltreize aufzeigt. Um seine Form zu verändern und seine Elastizität zu entwickeln, muss das Material zum Beispiel Hitze, Licht, Elektrizität oder Feuchtigkeit ausgesetzt werden.

Hier ist ein Video, das Formgedächtnispolymere zeigt:


Diese Formgedächtnis-Polymere werden mittels Projektions-Mikrostereolithografie hergestellt.

Anwendungen von intelligenten Materialien im 4D-Druck?

Medizinische Anwendung

Der 3D-Druck sowie die Entwicklung des Bioprinting hilft der medizinischen Industrie. Was könnte die Rolle des 4D-Drucks für das Gesundheitswesen sein? Formgedächtnispolymere könnten in den Körper eingesetzt werden und auf die Veränderungen und Stimulationen des Körpers reagieren. So könnten neue Antibiotika entwickelt werden, die z. B. auf die Veränderungen der Körpertemperatur reagieren.

Verbesserte Geräte in der Energiebranche

Ein möglicher Einsatz von Formgedächtnismaterialien wäre bei Solarpanels, die als Sensoren zur Erkennung der Sonne arbeiten. Auf diese Weise könnten sich Solarpaneele völlig selbsttätig in die richtige Richtung drehen. In Kombination mit der Robotik könnten so Solarmodule geschaffen werden, die für die Gewinnung der maximalen Sonnenenergie optimiert sind.

Intelligente Materialien für die Bauindustrie

Die Kombination traditioneller Baumaterialien mit intelligenten Materialien könnte eine großartige Lösung sein, um Strukturen zu schaffen, die in der Lage sind, zu wachsen, sich selbst zu reparieren oder sich sehr schnell an ihre Umgebung anzupassen. Das ist genau das, was die DARPA’s Engineered Living Materials (ELM) untersuchen: lebende Biomaterialien für Architektur und Konstruktion zu verwenden!

Luftfahrt

Airbus SAS beginnt mit dem Einsatz eines “intelligenten” 4D-Materials, das auf Temperatur reagiert, um so das Düsentriebwerke zu kühlen. Außerdem versuchen Sie mit Hilfe eines intelligenten Materials einen Flügel zu erstellen, der sich je nach aerodynamischen Bedingungen verformt, um den Luftwiderstand zu verringern. Geräte, die sich automatisch an äußere Bedingungen anpassen, könnten für viele verschiedene Branchen von großem Nutzen sein.

Wir hoffen, dass dieser Blog-Beitrag Ihnen geholfen hat, ein besseres Verständnis von intelligenten Materialien bzw. smart materials und dem 4D-Druck zu bekommen und zu verstehen, wie diese Technologie in Zukunft nützlich sein könnte. Natürlich gibt es noch viel zu verbessern, aber die ersten Experimente und Entwicklungen intelligenter Materialien sind wirklich vielversprechend

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