Was ist 4D-Druck?

Jul 29, 2023

Beim 4D-Druck werden 3D-gedruckte Objekte hergestellt, die sich im Laufe der Zeit aufgrund bestimmter Reize, wie z. B. der Einwirkung von Luft, Wasser oder Hitze, verändern können.

Beim 4D-Druck handelt es sich um einen Prozess, bei dem 3D-gedruckte Objekte so programmiert werden, dass sie sich im Laufe der Zeit als Reaktion auf Umweltreize wie Hitze oder Licht autonom verändern.

Stellen Sie sich autonome, selbstmontierende Möbel vor, die in flachen Paketen geliefert werden. Gebäude, die sich selbst bauen; regenerative unterirdische Rohrleitungssysteme; funktionelle, druckfertige Organe.

Oder vielleicht haben Sie bei einer neugierigen Google-Suche beobachtet, wie sich ein geschwungenes, sinuswellenförmiges Textil zu etwas kräuselt, das einem Loungesessel aus der Zeit des Brutalismus oder der Eiffelturm-Miniatur eines Gelatine-Make-ups ähnelt, das schlaff geworden ist und bei Hitzeeinwirkung wieder seine Form annimmt.

Wie dem auch sei, diese mächtigen sich verändernden Objekte sind die Darstellungen des 4D-Drucks, der Selbstaktivierungseigenschaften in den 3D-Druckprozess einführt.

Beim 4D-Druck entsteht selbstorganisierende, programmierbare Materie, die sich zeitlich umwandeln und so eine Art aktives Origami herstellen kann. Der Begriff 4D oder vierte Dimension steht im Wesentlichen für Zeit und beschreibt die Wirkung der Zeit auf das gedruckte Objekt.

„Mit dem 4D-Druck können Objekte mit zusätzlichen Merkmalen gedruckt werden, die es ihnen ermöglichen, im Laufe der Zeit ihre Form oder Funktion zu ändern“, sagte Xinyi Xiao, Assistenzprofessor für Maschinenbau und Fertigungstechnik an der Miami University. „Damit könnten Objekte geschaffen werden, die sich an ihre Umgebung anpassen oder sich sogar selbst reparieren können.“

Bei 4D-Druckprojekten werden 3D-gedruckte Renderings grundsätzlich zeitabhängig erstellt. Sobald diese Darstellungen vollständig hergestellt sind, können sie sich als Reaktion auf Umweltreize, mit denen sie interagieren, verändern.

Die formverändernden, intelligenten Materialien, aus denen 4D-gedruckte Gegenstände bestehen, reagieren auf einen Katalysator – wie Wärme, Wasser, Licht, Wind oder Elektrizität – basierend auf einer Reihe von Anweisungen, die in ihre geometrische Codierung geschrieben sind. Sie können sich nach der Aktivierung verlängern, verbiegen, falten, falten, verdrehen oder sogar auflösen. Alles von Holz bis Gummi kann mit auf Reize reagierenden Materialien geschichtet werden. Der Zweck dieser Praxis besteht darin, neue Eigenschaften zu entdecken und Objekte ohne menschliches oder mechanisches Eingreifen zu manipulieren.

Das ist sozusagen der springende Punkt. Skylar Tibbits, Gründer und Forschungsleiter des Self-Assembly Lab des Massachusetts Institute of Technology, beschrieb das Ziel des 4D-Drucks – die Schaffung motorloser, kabelloser und energieloser Technologie – als er den Begriff 2013 zum ersten Mal bei einem Ted Talk prägte.

„Was wir wirklich versuchen, sind Roboter ohne Roboter“, sagte Tibbits gegenüber Fast Company. „Wir wollen Materialien entwerfen, die sich unter Einwirkung von Energie umwandeln können, für deren Betrieb aber nicht unbedingt Leiterplatten, Elektronik oder andere bewegliche Teile erforderlich sind.“

„Der [vierdimensionale] Druck hat viele potenziell einflussreiche Anwendungsbereiche“, sagte Xiao und nannte als Anwendungsfälle Medizin, flexible Elektronik, Soft-Roboter und sogar Möbel.

Beispielsweise könne leitfähige Tinte zum Bau elektronischer Geräte verwendet werden, sagte sie. Dieser Prozess ist jedoch auf planare Oberflächen beschränkt. Durch die Anpassung des in 4D verfügbaren Formänderungsverhaltens können kompliziertere elektronische Komponenten entwickelt werden.

Laut dem Nischennachrichtenportal 3Dprint.com sind Luft- und Raumfahrt, Automobil, Bekleidung, Bauwesen, Militär, Gesundheitswesen und Fertigung die führenden Branchen, die den 4D-Raum erforschen.

Das wahre Wunder dieser Technologie liegt in ihrem Potenzial für ferne Horizonte. Der heutige Erfolg beim Drucken eines einfachen, sich selbst zusammenklappenden Stuhls lässt Forscher und 4D-Enthusiasten von adaptiven medizinischen Implantaten und selbst konstruierten Gebäuden träumen.

„Der [vierdimensionale] Druck steckt noch in den Kinderschuhen“, bemerkte Xiao, dessen Forschungsbemühungen sich derzeit auf die Qualitätskontrolle in der additiven Fertigung konzentrieren, die sowohl auf 3D als auch auf 4D basiert, einschließlich der Beherrschung der sich selbst verändernden Struktur und des Designs. „Aber es ist eine aufregende Technologie, die das Potenzial hat, die Art und Weise, wie wir Objekte herstellen, zu verändern. Kreativität ist unerlässlich, damit die Menschen die digitale bis physische Fertigungslinie neu denken können.“

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Ausgestattet mit kommerziellen 3D-Druckern beginnen Forscher mit der Eingabe von intelligentem Material, auch Metamaterial genannt. Diese Textilien, die die für 4D-Objekte einzigartigen transformativen Eigenschaften besitzen, werden üblicherweise aus Hydrogel oder Formgedächtnispolymeren hergestellt. Hydrogele reagieren auf Feuchtigkeit, während Formgedächtnispolymere die Fähigkeit haben, nach einer Verformung in ihren ursprünglichen Zustand zurückzukehren.

„Das einfachste Beispiel hierfür wäre ein Schwamm – ein Material, das seine Form ändert, wenn Druck ausgeübt wird“, sagte Vineeth Venugopal, Materialingenieur am MIT.

Ein komplizierteres Beispiel wäre eine Formgedächtnislegierung wie NiTinol, sagte er. Es besteht aus Titan und Nickel und kann nach jeder Verformung wieder in seine ursprüngliche Form zurückkehren.

„Diese ‚lebendigen‘ Materialien könnten unsere Welt völlig verändern.“

Diese animierten Merkmale können einem im Material vorprogrammierten geometrischen Code zugeschrieben werden. Gemäß seinen Anweisungen wird das gedruckte Objekt aktiviert, sobald es durch einen festgelegten Reiz ausgelöst wird, der auf natürliche Weise in seiner Umgebung auftritt.

„Das nennt man intelligente Materialien“, sagte Venugopal, „und wenn man einem aktuellen Bericht der [unabhängigen wissenschaftlichen Akademie des Vereinigten Königreichs] Royal Society Glauben schenken darf, könnten diese „lebendigen“ Materialien unsere Welt völlig verändern.“

Das Bauen mit Materialien, die über aktive, adaptive und autonome Eigenschaften verfügen, würde branchenübergreifend bahnbrechend sein, stellt der Bericht der Royal Society fest, am deutlichsten in Branchen wie Bau und Transport sowie Medizin und Textilien.

Der vierdimensionale Druck „ist der nächste Schritt gegenüber dem 3D-Druck“, sagte Xiao und wies darauf hin, dass es das eine (4D) nicht ohne das andere (3D) geben könne.

Die Unterscheidung zwischen den beiden beginnt mit der Festlegung der Grundlagen beider Technologien. Beim dreidimensionalen Drucken handelt es sich um eine Rapid-Prototyping-Technik, die allgemein als additive Fertigung bezeichnet wird und bei der Material Schicht für Schicht aufgetragen wird, um dreidimensionale Objekte herzustellen.

Derselbe Mechanismus wird beim 4D-Druck zur Herstellung von Teilen verwendet. Die zusätzliche Abmessung, die sie voneinander unterscheidet, wird jedoch, wie oben beschrieben, in der geometrischen Kodierung eines Objekts bestimmt, die diesen zusätzlichen Schritt vor dem Drücken der Drucktaste erfordert. Hier kodieren Forscher die gewünschte Funktionalität des Objekts anhand seiner Winkel, Maße und Abmessungen.

So wie es beim 3D-Druck darum geht, den Beschränkungen einer 2D-Struktur mehr Tiefe zu verleihen, geht es beim 4D-Druck darum, der dimensionalen Zusammensetzung einen weiteren Faktor hinzuzufügen – die Zeit. Genauer gesagt: Veränderungen im Laufe der Zeit. Während sich 4D-gedruckte Objekte in eine Art Aktion verwandeln, behalten 3D-gedruckte Renderings ihre statische, starre Form.

„Mit dem [vierdimensionalen Druck] können Objekte erstellt werden, die nach dem Drucken Form und Größe ändern können, während der 3D-Druck eine einfachere Form ist, mit der nur Objekte mit einer festen Form erstellt werden können“, sagte Xiao. „Es ist eine andere Schöpfung als die Anwendung.“

Mehr über die Vor- und Nachteile des 3D-Drucks

Noch nicht kommerzialisiert, sind Innovationen im 4D-Druck noch auf Forschung und Laborexperimente beschränkt. Alle derzeit stattfindenden Anwendungen, beispielsweise ein Brustimplantat, das das Wachstum von gesundem Gewebe bei einer Krebspatientin ermöglicht, gelten als höchst experimentelle Anomalien, die vor einer breiten Anwendung noch eingehender Prüfung und staatlicher Genehmigung bedürfen.

Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass der Grundstein bereits gelegt wurde. Reale Anwendungsfälle des 3D-Drucks werden einen Vorgeschmack darauf geben, was – zumindest in naher Zukunft – für den 4D-Druck kommen wird. Durch das unmittelbare Experimentieren bauen Forscher auf den jahrzehntelangen 3D-gedruckten Proof-of-Concepts auf, fügen jedoch eine selbstaktivierende Wendung hinzu.

Hier ist ein Blick auf einige Entwicklungen im 4D-Druck.

Das obige Beispiel mit einem biologisch abbaubaren 4D-Brustimplantat ist ein Beispiel für Tissue Engineering, das von Forschern im nationalen Labor der Xi'an Jiaotong University entwickelt wurde. Diese spezielle Anwendung hat sich seitdem weiterentwickelt und verwendet zelluläre Klebstoffe, sogenannte Gerüste, oder Biomaterialien, die entwickelt wurden, um das Zellwachstum bei der Bildung neuer funktioneller Gewebe zu fördern. In diesem Fall wird eine zusätzliche Strukturhülle aus den Gerüsten geschaffen, die photothermisch dazu veranlasst werden, sich mit dem Körper zu bewegen und ihre Form beizubehalten, während sich gutartiges Gewebe regeneriert.

Eine Gruppe von Forschern an der George Washington University nutzt Tissue Engineering, um Herzpflaster aus Tinte auf Gelatinebasis zu konstruieren. Diese Bio-Pflaster können Herzmuskelschäden reparieren, es ist kein Kleber erforderlich. Die vernetzte Struktur ist so konzipiert, dass sie sich mit der Ausdehnung und Kontraktion des schlagenden Herzens des Patienten ausdehnt.

Darüber hinaus hat eine andere Gruppe der George Washington University ein biokompatibles Harz entwickelt, das aus erneuerbarem Sojaöl gewonnen wird und bei Wechselwirkung mit einer Wärmequelle seine Form ändert und dann bei Stabilisierung der Temperatur in seine Standardform zurückkehrt. Auf lange Sicht glauben Forscher, dass das Material für das Stammzellwachstum unter Verwendung von Knochenmark verwendet werden könnte.

Inspiriert von parasitären Würmern sind Theragripper sternförmige Mikrogeräte aus Metall, die aus einer formverändernden Folie bestehen und dazu dienen, jede Art von Medikament zu einem Zielteil des Körpers zu befördern und es dort langsam freizusetzen. Sie sind mit hitzeempfindlichem Paraffinwachs überzogen und haften am Darmtrakt des Patienten. Sobald sie eingebettet sind, beginnen sie mit der Verabreichung des Medikaments, sobald es der Körpertemperatur des Wirts entspricht. Diese von Forschern der Johns Hopkins University entwickelte Technologie hat die Größe eines Staubkorns und kann eine Dosis eines beliebigen Medikaments transportieren.

Ein anderer Ansatz, der von Forschern der Michigan Technological University entwickelt wurde, verwendet magnetische 3D-gedruckte Tinte, die mit Mikropartikeln angereichert ist. Die magnetischen Eigenschaften der Mikropartikel können aus der Ferne manipuliert werden, um Blockaden im Magen-Darm-Trakt zu beseitigen, Gewebeproben zu entnehmen und die Behandlung an einer bestimmten Stelle im Patienten durchzuführen.

Zwei Arten von 4D-gedruckten Gefäßstents (temporäre röhrenförmige Stützen, oft aus Metallgeflecht, die in Gefäße eingenäht werden, um den Blutfluss zu fördern) werden unter Einsatz von Formgedächtnis erforscht. Forscher des Harbin Institute of Technology in China haben herausgefunden, dass ein genetischer Algorithmus in das Objekt kodiert ist, der dann ein gesundes Blutgefäß simuliert, indem er verengte Leitungen schnell erweitert.

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Weiche Roboter sind biomimetische Kreationen, die robuste Hardware gegen nachgiebige Materialien eintauschen, die lebenden Organismen besser ähneln. Laut einer in der Fachzeitschrift Polymer veröffentlichten Studie bietet ihr Hydrogel-Aufbau eine flexible Struktur, die sich in Größe und Form ändert, wodurch sie besser für Anwendungsfälle geeignet sind, die eine weichere Haptik erfordern.

Die Sanftheit und Vielseitigkeit dieser 4D-Prototypen bietet einen Mehrwert für Bereiche wie den medizinischen und bionischen Bereich.

Zwei Forscher der Rice University sagen, dass sie nicht mehr weit vom 4D-Druck formverändernder, biomedizinischer Implantate entfernt sind. Mithilfe einer Flüssigkristall-Polymertinte entkoppelt ihr Ansatz den Druckprozess von der autonomen Transformation des Objekts, um die Formkontrolle zu optimieren und komplexere Strukturen zu drucken, wie die Fachpublikation für Gesundheitstechnologie Tectales berichtet.

Die Self-Assembly Labs des MIT haben einen Prototyp eines wandelbaren Lufteinlasses für ein Strahltriebwerk aus programmierbarer Kohlefaser entwickelt. Laut Forschern der Air University ist dieses Modell im Gegensatz zu seinen mechanischen Gegenstücken leicht, minimiert unfallträchtige Mechanismen und arbeitet unabhängig von Elektronik, Sensoren oder Aktoren.

Selbstorganisierende Mikrodrohnen gelten als die nächste Entwicklung vollwertiger, anpassbarer 3D-gedruckter Quadrocopter, die derzeit im Einsatz sind. Weitere Anwendungen sind selbstreparierende Brücken (für den Fall, dass sich Risse bilden) und selbstmontierende Unterstände.

Eines der laufenden Projekte des Self Assembly Lab des MIT – aktive Textilschneiderei – hat sich mit der Erprobung intelligenter Fasern beschäftigt, die selbstregulierende Kleidung reparieren. Diese Wearables sind in der Lage, sich als Reaktion auf Hitze und Feuchtigkeit an die Form und Bewegung eines Körpers anzupassen.

Spezifisch für militante Anwendungen umfassen die in Arbeit befindlichen Tests eine chamäleonartige Tarnung, die ihr Farbmuster widerspiegelt, um sie an die Umgebung anzupassen, während sie sich in Echtzeit bewegt, sowie Uniformen, die mit intelligenten Materialien gepanzert sind, die Soldaten vor giftigen Gasen schützen.

Stellen Sie sich ein Lagerhaus voller Kisten vor. Ersetzen Sie nun den Standardkarton durch ein intelligentes Material mit Formgedächtnis und lichtaktivierten Polymeren, das so programmiert ist, dass es sich selbst faltet und selbst zusammenbaut. Schwer vorstellbar? Das liegt wahrscheinlich daran, dass hier eine völlig neue Stufe der Automatisierung entsteht.

Eine Machbarkeitsstudie des Georgia Institute of Technology aus dem Jahr 2015 hat dies anhand thermisch reagierender Formgedächtnispolymere gezeigt. Die Technik ermöglichte ein Herstellungsverfahren, das „verspricht, unmittelbare technische Anwendungen für eine kostengünstige, schnelle Massenproduktion voranzutreiben“, heißt es in der Studie.

Mögliche Einsatzmöglichkeiten dieser Technologie sind unter anderem Milchkartons, Einkaufstüten und Autoairbags.

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Der NASA-Weltraumarchitekt Raúl Pulido Casillas hat einen intelligenten Stoff aus silbernem Metallnetz mit integrierter Wärmeregulierung in Astronautenanzügen und Raumfahrzeugabdeckungen in 4D gedruckt. Die reflektierenden Spiegelblöcke reflektieren die Wärme auf der Außenseite und isolieren gleichzeitig auf der Innenseite.

Der 4D-Druck steht bereits in den Sternen und bietet kostengünstige, langlebige Fertigungslösungen für Luft- und Raumfahrtprojekte, die so programmiert werden können, dass sie rauen Bedingungen standhalten oder sich sogar an eine sich ändernde Umgebung anpassen und modifizieren können. Die Polymer-Studie ergab, dass die leichten, thermoplastischen 4D-Materialien, die zur Reparatur von Satelliten, Werkzeugen oder Teilen von Raumfahrzeugen verwendet werden, die Masse eines traditionell hergestellten Teils um bis zu 80 Prozent reduzieren können.

Neben der Entwicklung wärmeempfindlicher Materialien zur besseren Thermoregulierung seiner Triebwerke möchte der europäische Luft- und Raumfahrtkonzern Airbus seine Scharniere und hydraulischen Aktuatoren durch Lego-ähnliche 4D-gedruckte Komponenten ersetzen, die mit reaktiven Metamaterialien programmiert sind. Dadurch wird die Belastung jedes Fahrzeugs erheblich verringert und gleichzeitig die Funktionalität erhöht.