Was ist 4D-Druck und wie unterscheidet er sich vom 3D-Druck?

Bildnachweis: Made360/.com

Wissenschaftler suchen jetzt nach der vierten Dimension, um eine neue Generation gedruckter intelligenter Materialien zu schaffen, die ihre Form verändern können.

3D-Druck vs. 4D-Druck

Beim dreidimensionalen Druck, der auch als additive Fertigung bezeichnet wird, wird ein digitaler Entwurf mit Hilfe von computergestütztem Design (CAD) in ein physisches Objekt verwandelt.

Eine sich wiederholende 2D-Struktur wird Schicht für Schicht von unten nach oben aufgebaut, bis eine 3D-Konstruktion fertig ist. Das fertige Objekt zeichnet sich durch seine Steifigkeit und Unveränderlichkeit aus, ähnlich wie ein typisches Metall- oder Kunststoffteil.

Der Prozess des 4D-Drucks ist im Wesentlichen derselbe – es werden dieselben 3D-Drucker verwendet, und der Computer führt dasselbe Programm aus, um Material in aufeinanderfolgenden Schichten aufzutragen, bis eine 3D-Struktur entsteht.

Klicken Sie hier, um mehr über 3D-Drucktechnologien zu erfahren.

Der 4D-Druck fügt jedoch eine neue Dimension hinzu, bei der die Struktur ihre Form im Laufe der Zeit verändern kann. Dazu müssen einzigartige Materialien und maßgeschneiderte Designs in das Programm eingebaut werden, damit der 3D-Druck seine Form ändern kann, wenn er durch einen bestimmten Reiz wie Wärme, Wasser oder Licht ausgelöst wird.

Dieser programmierbare Bestandteil – ein Hydrogel oder ein Polymer mit Formgedächtnis – ist in der Lage, seine physikalische Form oder seine thermomechanischen Eigenschaften auf der Grundlage von Benutzereingaben oder autonomen Erfassungen auf programmierbare Weise zu ändern.

Hydrogele können große Mengen Wasser absorbieren und können so programmiert werden, dass sie sich bei Veränderungen der äußeren Umgebung zusammenziehen oder ausdehnen. Polymere mit Formgedächtnis können von einer verformten Form in ihre ursprüngliche Form zurückkehren, wenn ein Reiz auf sie einwirkt.

Während der 3D-Druck die Anweisungen zum aufeinanderfolgenden Drucken von Materialschichten enthält, fügt der 4D-Druck dem Prozess einen präzisen geometrischen Code hinzu, der auf den Winkeln und Abmessungen der gewünschten Form beruht. Er verleiht der Form ein Gedächtnis und Anweisungen, wie sie sich unter bestimmten Umgebungsbedingungen bewegen oder anpassen soll.

Forschung zu 4D-gedruckten Formen

Es gibt viele Institutionen und Unternehmen, die derzeit an 4D-gedruckten Formen und ihren möglichen Anwendungen forschen.

MIT’s Self-assembly Lab ist die Heimat eines Projekts, das Technologie und Design kombiniert, um Selbstmontage und programmierbare Materialtechnologien zu erfinden, um Konstruktion, Herstellung, Produktmontage und Leistung neu zu gestalten.

Eine Entwicklung sieht vor, dass sich eine flach gedruckte Struktur langsam in eine andere Form faltet, wenn sie in heißes Wasser gelegt wird. Dies könnte es ermöglichen, viel größere Strukturen in kleinerem Maßstab zu drucken, um sie später zu erweitern oder zu entfalten.

Das Labor hat programmierbares Holz erforscht, das für die Selbstmontage von Möbeln skaliert werden könnte. Stellen Sie sich eine 4D-gedruckte flache Platte vor, die sich durch Zugabe von Wasser oder Licht zu einem Stuhl zusammenrollt.

Video Credit: Self-Assembly Lab, MIT/Vimeo

Der Gründer des Labors, Skylar Tibbits, glaubt, dass die Technologie in vielen Bereichen großes Potenzial hat, auch in der Modeindustrie. Er denkt dabei an Turnschuhe, die sich je nach Aktivität an die Füße anpassen, oder an Kleidung, die ihre Zusammensetzung je nach Wetterlage ändern kann.

Wahrscheinlicher ist jedoch, dass man dem 4D-Druck in Form medizinischer Implantate oder mechanischer Systeme begegnet, die ihre Konfiguration je nach Umgebungsbedingungen ändern.

Forscher an der University of Wollongong in Australien haben ein 4D-gedrucktes Wasserventil entwickelt, das sich schließt, wenn es heißem Wasser ausgesetzt wird, und sich wieder öffnet, sobald die Temperatur abgekühlt ist. Dazu wird eine Hydrogeltinte verwendet, die bei Hitze schnell reagiert.

Der 4D-Druck könnte in der Biotechnologie oder in der Medizin eingesetzt werden. Beispielsweise könnten 4D-gedruckte Stents in Blutgefäße eingesetzt werden und sich ausdehnen, wenn sie die richtige Stelle erreichen, um zusätzliche Unterstützung zu bieten. Sie könnten auch für Medikamentenkapseln verwendet werden, die ihre Form verändern, um das Medikament freizusetzen, sobald sie ihren Bestimmungsort erreicht haben.

Weiter lesen: Bau einer Rakete in 60 Tagen: Die Zukunft des 3D-Drucks in der Luft- und Raumfahrt

Forscher der George Washington University haben eine Art von 4D-druckbarem, fotohärtbarem Flüssigharz aus einer erneuerbaren, mit Sojaöl epoxidierten Acrylatverbindung entwickelt. Dieses könnte als Gerüst für das Wachstum von Stammzellen im Knochenmark verwendet werden.

Andere medizinische Anwendungen könnten selbstkonfigurierende Proteine oder sich selbst faltende Proteine umfassen – ein weiteres Projekt des Self-assembly Lab des MIT.

Zusätzliche Anwendungen sind selbstreparierende Rohre, die ihren Durchmesser als Reaktion auf den Wasserbedarf und die Durchflussmenge ändern und Risse oder Brüche selbst heilen. Solche Materialien wären in extremen Umgebungen wie dem Weltraum von Vorteil, da die transformierbaren Formen von 4D-gedruckten Materialien den Bau von Brücken und Unterständen oder die Möglichkeit der Selbstreparatur bei Wetterschäden ermöglichen würden.

Auch die Architektur könnte davon profitieren, da anpassungsfähige Fassaden oder sich selbst öffnende/schließende Dächer, die durch das Wetter aktiviert werden, ebenfalls zu den künftigen Anwendungen gehören.

Die Zukunft des 4D-Drucks

Die Technologie des 4D-Drucks befindet sich noch in den Anfängen der Forschung und Entwicklung.

Zurzeit sind die einzigen Orte, an denen 4D-gedruckte Formen zu sehen sein werden, Labors und Prototyping-Einrichtungen sowie einige architektonische Ausstellungen und Kunstinstallationen.

Die Zukunft sieht vielversprechend aus und wie beim 3D-Druck ist die Liste der möglichen Anwendungen riesig. Die Verwendung solcher intelligenten Materialien könnte die Welt der Materialien, wie wir sie kennen, revolutionieren.

Referenzen und weiterführende Literatur

Haftungsausschluss: Die hier geäußerten Ansichten sind die des Autors in seiner privaten Eigenschaft und geben nicht unbedingt die Ansichten von AZoM.com Limited T/A AZoNetwork, dem Eigentümer und Betreiber dieser Website, wieder. Dieser Haftungsausschluss ist Teil der Nutzungsbedingungen dieser Website.

Zitate