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Zukunftvision Die additive Fertigung trainiert ihre Muskeln: 4D-Druck

| Autor/ Redakteur: Prof. Dr. Kristina Shea, Tian Chen / Joscha Riemann

Die Additive Fertigung bietet völlig neue Anpassungs- und Personalisierungsmöglichkeiten. Während die Industrie eruiert, wie sie den 3D-Druck am besten nutzen kann, wird bereits die vierte Dimension erforscht.

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Zustandänderung durch 4D-Druck
Zustandänderung durch 4D-Druck
(Bild: Vogel)

Der 4D-Druck basiert auf dem 3D-Druck, berücksichtigt jedoch nicht nur die drei räumlichen Dimensionen, sondern auch die vierte Dimension: die Zeit. 4D-gedruckte Teile werden so gestaltet und positioniert, dass sie sich mit der Zeit in ihrer Form verändern, oder sich sogar als Reaktion auf einen Umweltreiz (z. B. Temperaturschwankungen) selbst antreiben können. Das funktioniert ohne jegliche Elektronik und ohne Steuerung, unter Verzicht auf konventionelle Maschinenelemente oder gar schwere Batterien. Es ist eine neue Art des Denkens und Gestaltens. Wenn Sie glauben, dass sich die Produktentwicklung mit dem Aufkommen des 3D-Drucks verändert, werden Sie nicht umhin kommen, den 4D-Druck als eine Revolution zu betrachten.

Prof. Dr. Kristina Shea ist seit 2012 an der ETH Zürich Professorin für Produktentwicklung und Rechnerbasierte Methoden im Bereich des Maschinenbaus und der Verfahrenstechnik.
Prof. Dr. Kristina Shea ist seit 2012 an der ETH Zürich Professorin für Produktentwicklung und Rechnerbasierte Methoden im Bereich des Maschinenbaus und der Verfahrenstechnik.
(Bild: ETH)

Der Begriff selbst wurde ursprünglich von Skylar Tibbits in seinem TED-Talk geprägt: Er zeigte die Selbstkonfektionierung von verschiedenen 3D-Druckobjekten, die sich durch Aufquellen von Material in den Fugen von Materialsträngen zu Boxen und Logos selbst umgestalten konnten. Die „Steuerung“ der Teile erfolgte durch kreative Gestaltung des Materials und der Fugen –, um später die Reaktion auf einen bestimmten Umweltimpuls (hier die Wasseraufnahme) hervorzurufen. Zwar hatte man nun eindrucksvoll einen ersten Proof-of- Concept, bis zur Herstellung funktionstüchtiger Teile und Produkte gab es aber noch einige Probleme zu lösen: die lange Aktivierungszeit in der Größenordnung von Minuten, die mangelnde Präzision der mit handelsüblichen Materialien gedruckten Formen und schließlich die Strapazierbarkeit der Teile.

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Additive Fertigung - Make or Buy?

Die Additive Fertigung revolutioniert die Bauteilherstellung in vielen Branchen. Gerade für klein- und mittelständische Unternehmen sind jedoch hohe Fertigungskosten nach wie vor die Haupteinschränkung für die weitere Verbreitung dieser Produktionstechnologie.

Neue Funktionalitäten durch Formgedächtnis

Um die genannten Herausforderungen zu meistern, setzt unsere Forschung auf die jüngsten Fortschritte im 3D-Multimaterialdruck. Ein Ansatz ist das Inkjet-Druckverfahren, auch bekannt als Material-Jetting, ähnlich der Funktionsweise eines Tintenstrahldruckers. Bei diesem Verfahren werden weiche und harte Photopolymere nebeneinander gedruckt, um unterschiedliche Materialhärten innerhalb eines einzigen Druckteils zu ermöglichen. Es stellte sich heraus, dass diese Polymere ein Formgedächtnis haben, ähnlich den weitgehend bekannten Formgedächtnislegierungen. Diese beiden Eigenschaften – die Möglichkeit, ein hartes Material direkt neben einem weichen Material zu drucken und der Formgedächtnis-Polymereffekt – erlauben es, mithilfe des 4D-Drucks völlig neue Funktionalitäten und Einsatzmöglichkeiten zu erschließen.

Stabil in zwei Zuständen

Nehmen wir beispielsweise an, wir möchten ein Bauteil entwerfen, das sich von einer ebenen Fläche zu einer Pyramide oder einer noch komplexeren Form restrukturiert: Durch den flachen Druck sinkt zunächst der erforderliche Materialeinsatz, auch ist dementsprechend weniger Transportvolumen nötig. Anschließend entfällt die zur Inbetriebnahme notwendige Montage des Bauteils, da keine beweglichen Baugruppen von Teilen vorhanden sind, die klemmen können.

Der Begriff der Bistabilität kommt aus der Natur – ein Beispiel wäre eine zuschnappende Venusfliegenfalle – und beschreibt eine Struktur, die in zwei Zuständen stabil ist; in diesem konkreten Fall entweder offen oder geschlossen, ähnlich einem Logikgatter in der Elektronik. Das Prinzip der Bistabilität kann in Kombination mit dem Formgedächtnis-Effekt der 3D-Druckobjekte äußerst effektiv genutzt werden: um Teile zu erzeugen, die ihre Form als Reaktion auf einen Umgebungsreiz verändern können und durch das Design auch im zweiten Zustand stabil sind. Auch die zu erwartende Formänderung und der zeitliche Ablauf lassen sich vorhersagen. Das Timing der Formänderungen kann durch Anpassung der Kraft, die zur Aktivierung des bistabilen Aktuators benötigt wird, „gesteuert“ werden. Dies wiederum wird durch die Auswahl von aktuell sieben unterschiedlich weichen Materialien gesteuert, die alle in einem einzigen Aufbau verwendet werden können.

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256 theoretisch realisierbare Formen

Doch wie kommt es eigentlich zur Veränderung der Form? Ein Formgedächtnis-Polymer ist ein Kunststoff, der bei Erwärmung nachgiebig wird. Im erwärmten Zustand kann er von seiner permanenten Form auf eine Sekundärform „programmiert“ werden. Diese Sekundärform wird stabil, wenn das Formgedächtnis-Polymer abkühlt, verliert aber nicht sein „Gedächtnis“ und nimmt bei Erhitzung seine ursprüngliche Form wieder an. Dabei gibt es eine Kraft an den bistabilen Aktuator ab, die ihn in einen zweiten Zustand überführt. Es ist das „Schnappverhalten“, das den Formwandel vorantreibt und das Bauteil von einer flachen Struktur z. B. in eine Pyramide verwandelt. Aber nicht nur eine Pyramide ist möglich: Da jeder bistabile Aktuator ein- oder ausgeschaltet ist, bedeutet dies bei acht Aktuatoren im Teil, dass es 256 theoretisch mögliche Formen gibt.

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