4D-Druck: Neue Materialien, die Eigenschaften und Form verändern

Normalerweise bedeutet 4D einen vierdimensionalen Raum, in dem sich vierdimensionale Objekte befinden - ein Tesserakt, ein Icocitrachor (hat in der dreidimensionalen Welt keine Analoga) und dergleichen. Vor einigen Jahren wurde der Begriff 4D verwendet, um eine spezielle Technologie zum Drucken von Objekten zu bezeichnen, deren Eigenschaften sich im Laufe der Zeit ändern. Daher wird beim 4D-Drucken die "vierte" nicht als Messung bezeichnet, sondern als Parameter, dem die Position (möglicherweise die Funktion) des Objekts zugeordnet ist.

Die 4D-Druckertechnologie ist im Vergleich zum herkömmlichen 3D-Druck kaum revolutionär - ein Objekt wird auf die gleiche Weise Schicht für Schicht erstellt. Das Interessanteste passiert später, wenn sich das fertige Objekt zu ändern beginnt. Und hier kommt es darauf an, welches Material im Drucker verwendet wird. Spezielle Materialien ändern sich unter dem Einfluss von Wasser, Wärme, Licht und mechanischer Beanspruchung und können auch für bestimmte Aktionen programmiert werden.

Mal sehen, warum 4D-Druck benötigt wird und wie eine Welt aussieht, die auf Dingen basiert, die ihre Form und ihr Verhalten ändern.

Autos der Zukunft

Im vergangenen Jahr präsentierte BMW, wie die Autos der Zukunft aussehen würden. Das Konzept war nicht ohne den Einsatz von 4D. Wie von den Ingenieuren konzipiert, besteht die Karosserie aus beweglichen dreieckigen Abschnitten, die auf einem 4D-Drucker gedruckt sind. Solche Teile werden eine integrierte Funktionalität haben, die nun erreicht wird, indem verschiedene Teile freigegeben und ein Mechanismus daraus zusammengesetzt werden.

Dank der Verwendung spezieller Materialien, deren Eigenschaften denen von Kohlefasern ähneln, verfügt jeder Abschnitt ab dem Zeitpunkt der Produktion über programmierte Funktionen. Zum Beispiel wird der größte Teil der Abdeckung Radnischen bedienen, die für eine bessere Aerodynamik ausgelegt sind. Während der Kurve dehnen sich die dreieckigen Abschnitte und die Reifen reiben nicht an den Bögen.

Eine visuelle Demonstration der Fähigkeiten des Concept Cars, erstellt mit vierdimensionalem Druck:

Formänderung bei Kontakt mit Wasser

Ein Team von Wissenschaftlern der Harvard University machte auf Pflanzen aufmerksam, die als Reaktion auf Umweltreize reagieren und ihre Form ändern. Es wurden Hydrogel-Verbundstrukturen entwickelt, die beim Eintauchen in Wasser ihre Form ändern.



Das orchideenblütenförmige Objekt wurde mit Hydrogel-Verbundtinten bedruckt, die spezifisch gerichtete Cellulosefasern enthielten. Um den Holzfasern die gewünschte Richtung zu geben, wurden sie mit Acrylamidhydrogel gemischt. Beim Eintauchen in Wasser ändert die resultierende Substanz ihre geometrischen Abmessungen auf vorbestimmte Weise.

Mit zusammengesetzten Tinten erhalten Sie Produkte in verschiedenen Formen. Darüber hinaus ist es möglich, die Zusammensetzung des Materials zu ändern, um bestimmte Eigenschaften zu erhalten, beispielsweise elektrische Leitfähigkeit oder Biokompatibilität.


Forscher des Self-Assembly Lab des Massachusetts Institute of Technology haben eine 2D-Vorlage entwickelt, die sich beim Eintauchen in Wasser zu einem Würfel faltet. Zum Drucken des Self-Assembly Lab wird der Stratasys Objet260 Connex1-Drucker verwendet, mit dem Sie mit verschiedenen Materialien (einschließlich gummiartigem und Polypropylen) arbeiten können.

Das Labor hat viele verschiedene Produkte entwickelt, die unabhängig voneinander die gewünschte Form annehmen oder sich selbst zusammensetzen können. Sie zeigten Schnürsenkel, die sich schnüren, und Möbelstücke, die sich von selbst entfalten.

Weltraumverteidigung

Mithilfe des 4D-Drucks haben die NASA-Ingenieure ein Metallgewebe hergestellt , um Satelliten vor Beschädigung und Strahlung zu schützen und flexible Antennen herzustellen. Der Stoff ist eine Art „Kettenhemd“, das aus Silberstücken und anderen Metallen hergestellt wird. Das Material kann wiederholt gebogen, gelöst, gedehnt und zusammengedrückt werden. Jede Seite des Stoffes hat ihre eigenen Eigenschaften, reflektiert oder absorbiert Licht und Wärme. Trotz seiner Flexibilität ist der Stoff extrem schwer zu reißen. Es ist geplant, dass Satelliten in das Schutzmaterial gepackt werden, bevor sie in den Weltraum gestartet werden, oder mit ihrer Hilfe die Raumanzüge und bewohnbaren Module abschirmen.

Technologie für das Militär

Das International Nanotechnology Institute der Northwestern University erhielt vom US-Verteidigungsministerium ein fünfjähriges Stipendium für die Entwicklung eines 4D-Druckers. Der vierdimensionale Drucker wird für Forschungen in der Chemie, in den Materialwissenschaften und in verteidigungsbezogenen Bereichen eingesetzt. Es wird davon ausgegangen, dass der 4D-Druck die Schaffung neuer chemischer und biologischer Sensoren, Strukturen und Materialien für Mikrochips ermöglichen wird.

Derzeit wird der Fortschritt durch das Fehlen kostengünstiger Geräte behindert, die mit ultrahoher Auflösung (etwa 1000-mal weniger als die Dicke eines menschlichen Haares) aus harten Materialien (Metallen und Halbleitern) und weichen Materialien (z. B. organischen Materialien) drucken können.

Ein vierdimensionaler Drucker wird zur Grundlage einer neuen Generation von Werkzeugen für die Entwicklung von Architekturen, in denen Materialien, die die Funktionskomponenten der Elektronik bilden, mit biologischen Objekten kombiniert werden können.

Formgedächtnis

Das auf einem 4D-Drucker gedruckte Polymermodell wird nach der Verformung wiederhergestellt.

Bereits 2013 entwickelten Forscher der University of Colorado eine 4D-Drucktechnik, bei der Polymerfasern mit einem „Formgedächtniseffekt“ in Verbundwerkstoffe für den traditionellen 3D-Druck eingearbeitet wurden. Als Beispiele für die Anwendung der Technologie wurden Solarbatterien genannt, die sich für den Transport falten und entfalten lassen, sich an die Umgebung anpassende Fahrzeugbeschichtungen sowie eine Militäruniform, die die Art der Tarnung ändert oder wirksamer vor Gas oder Fragmenten schützt.

Drei Jahre später hat ein gemeinsames Team von Wissenschaftlern der Singapore University of Technology and Design, des MIT und des Georgia Institute of Technology eine neue 4D-Druckmethode entwickelt, die auf der Belichtung mit lichtempfindlichen Materialien mit Licht basiert. Mit einer neuen Drucktechnik können Elemente erzeugt werden, die so dick sind wie ein menschliches Haar.



Eine Lösung aus lichtempfindlichem Polymer wurde in den Drucker gegossen und das gewünschte Objekt wurde Schicht für Schicht projiziert, wobei das Material mit ultraviolettem Licht verarbeitet wurde. Um zu überprüfen, ob sich das Polymer von Verformungen erholen kann, druckten die Forscher einen weichen Manipulator, der in seinem freien Zustand geschlossen ist. Damit konnten Wissenschaftler kleine Objekte (wie Schrauben) erfolgreich erfassen.

Bereits zu diesem Zeitpunkt kann eine ähnliche Technologie für den realen Einsatz angepasst werden - beispielsweise Kapseln herstellen, die mit zunehmender Körpertemperatur Substanzen freisetzen.

Drucken in der Medizin

Ärzte aus der Provinz Shaanxi im Nordwesten Chinas führten eine erfolgreiche und seltene Trachealoperation mit vierdimensionaler Drucktechnologie durch. Die Ärzte führten einen röhrenförmigen Trachealstent in den Patienten ein, um die Atemwege offen zu halten. Für die Stentherstellung wurde Polycaprolacton-Biomaterial verwendet, das sich im Laufe der Zeit auflöst - der biologische Abbau im menschlichen Körper erfolgt langsam, etwa 3 Jahre. Ärzte haben die Auflösungszeit des gedruckten Stents im Voraus festgelegt, und der Patient muss sich keiner weiteren Operation unterziehen, um ihn zu entfernen.

Ein ähnlicher Fall ereignete sich in den Vereinigten Staaten. Garrett Peterson wurde mit einer Fehlbildung der Bronchien geboren - Bronchomalazie, wenn der Knorpel nicht hart genug ist. Die Bronchialbeatmung war beeinträchtigt, und das Kind verbrachte sein ganzes Leben in einem Krankenhaus der Universität von Utah mit künstlicher Beatmung der Lunge, die das Leben unterstützt.

In der Zwischenzeit entwickelten sie an der Universität von Michigan einen dreidimensionalen Druckbus, der schließlich ohne Konsequenzen im Körper zusammenbrechen und gleichzeitig die Atemwege zwei bis drei Jahre lang offen halten konnte - genug, um den Bronchialknorpel wiederherzustellen.

Nach dem Erstellen eines virtuellen Modells druckt der Drucker Polycaprolactonschichten in Form einer bestimmten Luftröhre. Obwohl die Erstellung einzelner Stents schwierig erscheint, dauert es nur einen Tag.

Es ist wahrscheinlich, dass 4D-Biomaterialien früher oder später weit über Atemwegserkrankungen hinausgehen werden. Die Probleme der Gesichtsrekonstruktion und Ohrreparatur werden bereits untersucht.

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Im Allgemeinen prognostiziert die Mehrheit der auf dem Gebiet des vierdimensionalen Drucks tätigen Wissenschaftler ein explosives Wachstum von Objekten und Materialien des vierdimensionalen Drucks in den nächsten fünf Jahren.