Wie wird der 4D-Druck unsere derzeitigen Fertigungstechniken verändern?

Im April 2013 veranstaltete Skylar Tibbits, Gründer des MIT Self-Assembly Lab, eine TEDx-Konferenz, auf der er ein neues Konzept für den 3D-Druckprozess vorstellte. Zum ersten Mal führte er eine vierte Dimension in diese Technologie ein, die bereits viele Sektoren umkrempelt. Er erklärte, dass der 4D-Druck so etwas wie eine neue Eigenschaft eines Materials sei, das für den 3D-Druck verwendet wird, genauer gesagt die Fähigkeit des Materials, sich im Laufe der Zeit zu verändern. Tatsächlich kann ein Material dank des 4D-Drucks seine Form selbst verändern, ohne menschliches Zutun, sondern einfach durch den Einfluss externer Faktoren wie Licht, Wärme, Vibration usw.

Seitdem hat der 4D-Druck das Interesse vieler Branchen geweckt, die ein großes Potenzial für die individuelle Gestaltung von Geräten und Strukturen sehen. Laut dem Gartner-Report 2019 wächst das Interesse am 4D-Druck. Bis 2023 sollen Start-ups, die sich auf diese Technologie konzentrieren, 300 Millionen US-Dollar an Risikokapital anziehen. Angesichts dieser Beobachtung fragen wir uns unweigerlich, wie die Zukunft des 4D-Drucks aussehen wird. Wird er die additive Fertigung für einige Anwendungen ersetzen? Wie wird er sich auf die Industrie auswirken?

Dieses 3D-gedruckte Objekt verändert allmählich seine Form aufgrund externer Faktoren. Mit anderen Worten, es handelt sich um ein 4D-gedrucktes Objekt | Credits: Self-Assembly Lab

Wie funktioniert der 4D-Druck?

Der 4D-Druck ist stark vom Prinzip der Selbstorganisation inspiriert, das kein neues Konzept ist. Sie haben wahrscheinlich schon von der molekularen Selbstorganisation gehört, bei der Moleküle ohne menschliches Zutun komplexe Strukturen bilden. Ein Konzept, das zum Beispiel auch in der Nanotechnologie weit verbreitet ist. Mit dem 4D-Druck wird dieses Prinzip nun auf die nächste Stufe gehoben. Wenn es möglich ist, dass sich kleine Strukturen auf mikroskopischer Ebene selbst zusammensetzen und bewegen, warum sollte man sich das nicht auch bei größeren 3D-gedruckten Objekten vorstellen?

Während beim 3D-Druck Objekte hergestellt werden, die ihre feste Form beibehalten, ändert der 4D-Druck nicht nur ihre Form, sondern auch ihre Farbe, ihre Größe, ihre Bewegungen usw. Dabei werden Materialien verwendet, die in der Branche als „intelligente“ Materialien bekannt sind und die so programmiert sind, dass sie ihre Form unter dem Einfluss eines externen Faktors, meist der Temperatur, ändern, so wie ein Computer einem Code gehorcht. Dieser „Code“ wird also dem Material hinzugefügt und gibt dem 3D-Druckteil Anweisungen. Bastien E. Rapp, Präsident des Prozesstechniklabors NeptunLab, erklärt: „Der 4D-Druck ist die funktionelle Form des 3D-Drucks. Anstatt nur physische Strukturen zu drucken, können wir jetzt auch Funktionen drucken. Es ist, als würde man ein Stück Code in ein Material einbetten – sobald es ausgelöst wird, tut es das, wofür man es programmiert hat.“

4D-Druck Materialien und Technologien

4D-Druckmaterialien sind nicht so vielfältig wie Materialien für die additive Fertigung, da die Technologie noch in den Kinderschuhen steckt, aber es ist wichtig zu wissen, dass es verschiedene gibt. Beginnen wir mit den Formgedächtnispolymeren (SMP), d. h. mit Materialien, die eine makroskopische Form speichern, sie für eine bestimmte Zeit beibehalten und unter Wärmeeinwirkung in ihre ursprüngliche Form zurückkehren können, ohne sich dabei zu verformen. Auch andere indirekte Reize können die Umwandlung bewirken: ein Magnetfeld, ein elektrisches Feld oder das Eintauchen in Wasser.

Ein weiteres Material für den 4D-Druck sind Flüssigkristall-Elastomere (LCEs), die, wie der Name schon sagt, wärmeempfindliche Flüssigkristalle enthalten. Durch die Steuerung ihrer Ausrichtung ist es möglich, die gewünschte Form zu programmieren. Unter dem Einfluss der Temperatur dehnt sich das Material aus und verformt sich entsprechend dem vorgegebenen Code. Das dritte Material sind Hydrogele, d. h. Polymerketten, die hauptsächlich aus Wasser bestehen und vor allem in Photopolymerisationsprozessen verwendet werden. Sie sind wegen ihrer Biokompatibilität für den medizinischen Bereich von großem Interesse.

Einige 4D-Druckverfahren verwenden mehrere Materialien. Dabei handelt es sich vor allem um Verbundstoffe, die den SMPs oder Hydrogelen hinzugefügt werden, wie Kohlenstoff- oder Holzfasern. Das MIT Self-Assembly Lab begann seine Forschungen im Bereich des 4D-Drucks mit einer Stratasys Connex-Maschine, die auf dem Prinzip des Material-Jetting, einem Multimaterialverfahren, basiert. Natürlich gibt es noch andere 4D-Druckmaterialien, wie z.B. Keramik, aber wir haben beschlossen, uns auf die wichtigsten zu konzentrieren.

Credits: Self-Assembly Lab

Schließlich liegt der gesamte 4D-Druckprozess im Material begründet. Daher ist es notwendig zu verstehen, wie es auf bestimmte Reize reagieren wird. Bastien E. Rapp erklärt, dass „eine sehr gute Kenntnis der Materialien erforderlich ist, um den 4D-Druck zu ermöglichen.“ Sobald diese gut integriert sind, können wir verschiedene 3D-Drucktechnologien einsetzen: Stereolithografie, Material-Jetting (für alle Multimaterialien), Fused Filament Fabrication (Arbeit mit Polymeren). Meistens handelt es sich bei dem verwendeten 3D-Drucker um ein verbessertes Gerät, das die 4. Bastien E. Rapp fährt fort: „Je nach Komplexität der 4. Dimension kann es so einfach sein, zwei Materialien parallel zu drucken. Dies kann auch bedeuten, dass das Material während des Herstellungsprozesses erhitzt oder gekühlt wird. Es gibt viele Methoden, die alle bestimmte Bedingungen erfordern.“

4D-Druckanwendungen

Da es möglich ist, ein intelligentes Material nach Belieben zu programmieren, scheinen die Anwendungsmöglichkeiten des 4D-Drucks recht umfangreich zu sein. Stellen Sie sich ein Objekt vor, das jede beliebige Form annehmen kann: Die Technologie könnte sich dann auf den Bausektor auswirken, um Strukturen zu bauen, die sich den klimatischen Bedingungen anpassen, Konsumgüter könnten sich den Bedürfnissen der Menschen anpassen oder sogar im medizinischen Bereich eingesetzt werden, usw. Eine der ersten Ideen von Skylar Tibbits war die Verwendung des 4D-Drucks zur Herstellung intelligenter Rohre. Diese Rohre wären in der Lage, ihre Form in Abhängigkeit von der Wassermenge, die sie enthalten, zu verändern, aber auch, wenn ein Phänomen im Untergrund auftritt. Auf diese Weise müsste man sie nicht mehr ausgraben und austauschen – ein zeitaufwändiger und sehr kostspieliger Prozess.

Einer der Sektoren, die sich am meisten für den 4D-Druck interessieren, ist zweifellos der medizinische Sektor. Der 4D-Druck könnte die Herstellung von maßgeschneiderten, intelligenten und skalierbaren Geräten ermöglichen. Durch den 4D-Druck eines Implantats wäre es beispielsweise einfacher, dessen Zustand und Lebensfähigkeit zu kontrollieren, sobald es vom Patienten eingesetzt wurde. Das Gleiche gilt für die gesamte regenerative Medizin und die Herstellung von Zellstrukturen. Mit Hilfe des 4D-Drucks könnten sich die Zellen beispielsweise je nach Temperatur an den menschlichen Körper anpassen. Chloé Devillard, die derzeit ihre Doktorarbeit bei 3d.FAB vorbereitet, erklärt uns: „Wir arbeiten mit dem 4D-Druck für Anwendungen im Bereich des Tissue Engineering und der regenerativen Medizin, um lebende Organismen zu reparieren. Ich verwende es insbesondere, um ein Blutgefäß zu reproduzieren, das der Realität in Bezug auf Physiologie, Funktion und Mechanik so nahe wie möglich kommt. Wir können Konstruktionen schaffen, die lebenden Dingen so ähnlich wie möglich sind.“

3d.Fab arbeitet derzeit an 4D-Druckprojekten zur Herstellung von Blutgefäßen | Credits: 3d.Fab

Schließlich kann man sich ein 4D-gedrucktes Medikament vorstellen, das seinen Wirkstoff in Abhängigkeit von der Körpertemperatur des Patienten freisetzen kann. Das ist eines von Dr. Fangs Forschungsprojekten am MIT, erklärt er: „Wir wollen die Körpertemperatur als Auslöser nutzen. Wenn wir die Polymere richtig gestalten können, können wir vielleicht ein Gerät zur Medikamentenabgabe schaffen, das das Medikament nur freisetzt, wenn sich Fieber entwickelt.“

Auch der Transportsektor im weitesten Sinne ist am 4D-Druck interessiert, sei es in der Automobil- oder Luft- und Raumfahrtindustrie. Im Jahr 2018 berichteten wir über das von BMW und dem MIT entwickelte aufblasbare Material, das unter der Einwirkung von Luftimpulsen Form und Größe verändern kann. Ein interessantes Material für die Entwicklung künftiger Reifen, die sich im Falle einer Reifenpanne selbst reparieren oder an die extremsten Wetterbedingungen anpassen können. Neben Autos können wir auch über Flugzeuge sprechen. Ein 4D-gedrucktes Bauteil könnte auf atmosphärische Druck- oder Temperaturschwankungen reagieren und somit seine Funktion ändern – Airbus arbeitet derzeit an diesem Thema. Der Luft- und Raumfahrtriese erklärt, dass diese Komponenten Scharniere und hydraulische Aktuatoren ersetzen und so das Gewicht dieser Geräte erheblich reduzieren könnten.

Stellen Sie sich einen Hocker vor, der sich von selbst zusammen- und auseinanderfaltet | Credits: Self-Assembly Lab

Schließlich ist der 4D-Druck mehr als interessant für alle Anwendungen, die ein hohes Maß an Individualisierung erfordern, da es möglich ist, das Material nach unseren Bedürfnissen zu programmieren. In diesem Stadium mag das Konzept noch seltsam anmuten, aber man könnte sich Kleidung vorstellen, die die tatsächliche Form unseres Körpers annimmt, Möbel, die sich zusammen- und auseinanderfalten lassen, um Platz zu sparen, usw.

Die Zukunft des 4D-Drucks

Auch wenn diese Technologie vielversprechend ist, hat sie noch viele Grenzen: Wie widerstandsfähig sind intelligente Materialien im Laufe der Zeit wirklich? Werden sie ihre Aufgaben auf Dauer noch erfüllen können? Viele Unternehmen sind noch dabei, dieses Herstellungsverfahren zu testen, und nur wenige haben über ihre Ergebnisse berichtet. Bastien E. Rapp erklärte uns, dass der 4D-Druck ein gewisses Maß an sehr technischem Wissen voraussetzt, was es schwieriger macht, ihn so zu demokratisieren wie die additive Fertigung. „Da es sich um ein recht komplexes Thema handelt, das eine sehr gute Material- und Fertigungskontrolle erfordert, wird es vielleicht nicht so weit verbreitet und zugänglich sein wie der 3D-Druck selbst. Aber es wird dennoch einen bedeutenden Einfluss auf die Industrie haben.“

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