Wie wird der 4D-Druck unsere derzeitigen Fertigungstechniken beeinflussen?
Im April 2013 veranstaltete Skylar Tibbits, Gründer des MIT Self-Assembly Lab, eine TEDx-Konferenz, bei der er ein neues Konzept für den 3D-Druckprozess vorstellte. Zum ersten Mal brachte er eine vierte Dimension in diese Technologie ein, die bereits viele Branchen durcheinander brachte. Er erklärte, dass der 4D-Druck wie das Hinzufügen eines neuen Features zu einem Material sei, das für den 3D-Druck verwendet werden würde, genauer gesagt, es sei die Fähigkeit des Materials, sich im Laufe der Zeit zu verändern. Dank des 4D-Drucks kann ein Material seine Form selbstständig ändern, ohne dass der Mensch eingreifen muss. dies geschieht ganz einfach durch den Einfluss von äußeren Faktoren wie Licht, Hitze, Vibrationen usw..
Seitdem hat der 4D-Druck das Interesse vieler Branchen geweckt, die ein großes Potenzial für die Anpassung von Geräten und Strukturen sehen. Laut dem Gartner Report 2019 wächst das Interesse am 4D-Druck. Bis 2023 dürften Start-ups, die sich auf diese Technologie konzentrieren, 300 Millionen Dollar Risikokapital erhalten. Angesichts dieser Beobachtung fragen wir uns also unweigerlich, wie die Zukunft des 4D-Drucks aussehen wird. Wird er für einige Anwendungen die herkömmliche Additive Fertigung ersetzen? Welche Auswirkungen wird es auf die Branche geben?
Dieses 3D-Druckobjekt verändert seine Form allmählich durch äußere Einflüsse. Mit anderen Worten, es ist ein 4D-gedrucktes Objekt – Quelle: Self-Assembly Lab
Wie funktioniert der 4D-Druck?
Der 4D-Druck ist stark vom Prinzip der „Selbstmontage“ inspiriert, das kein neues Konzept ist. Sie haben wahrscheinlich 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. Der 4D-Druck bringt dieses Prinzip daher auf die nächste Stufe. Wenn es möglich ist, dass sich kleine Strukturen im mikroskopischen Maßstab selbstständig zusammensetzen und bewegen können, warum nicht auch bei größeren 3D-Druckobjekten?
Während der 3D-Druck Objekte erzeugt, die ihre feste Form behalten, ändert der 4D-Druck ihre Form, aber auch ihre Farbe, Größe, die Art und Weise, wie sie sich bewegen, etc. Es werden Materialien verwendet, die in der Industrie als „intelligente“ Materialien bekannt sind und die programmiert wurden, um ihre Form unter dem Einfluss eines äußeren Faktors, meist der Temperatur, zu verändern, genau wie wenn ein Computer dem Code gehorcht. Dieser „Code“ wird daher dem Material hinzugefügt und gibt Anweisungen für das 3D-Druckteil. Bastien E. Rapp, Präsident des Laboratoriums für Prozesstechnik NeptunLab, erklärt: „Der 4D-Druck ist die funktionale Form des 3D-Drucks. Anstatt nur physische Strukturen zu drucken, können wir nun Funktionen drucken. Es ist wie das Einbetten eines Stückes Code in ein Material – einmal ausgelöst, macht es das, was Sie programmiert haben.“
4D-Druckmaterialien und -technologien
4D-Druckmaterialien sind nicht so vielfältig wie additive Fertigungsmaterialien, da die Technologie noch in den Kinderschuhen steckt, aber es ist wichtig zu beachten, dass es verschiedene gibt. Beginnen wir mit Formgedächtnispolymeren (SMPs), also Materialien, die in der Lage sind, eine makroskopische Form zu speichern, sie für eine gewisse Zeit zu erhalten und unter dem Einfluss von Wärme ohne jegliche Restverformung in ihre ursprüngliche Form zurückzukehren. Auch andere indirekte Reize können die Transformation verursachen: ein Magnetfeld, ein elektrisches Feld oder das Eintauchen in Wasser.
Ein weiteres 4D-Druckmaterial sind Flüssigkristall-Elastomere (LCEs), die, wie ihr 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 transformiert sich gemäß dem vorgegebenen Code. Das dritte Material sind Hydrogele, das sind Polymerketten, die hauptsächlich aus Wasser bestehen und insbesondere bei Photopolymerisationsprozessen eingesetzt werden. Sie sind aufgrund ihrer Biokompatibilität für den medizinischen Bereich von großem Interesse.
Einige 4D-Druckverfahren verwenden Multimaterialien. Es sind vor allem Verbundwerkstoffe, die SMPs oder Hydrogelen zugesetzt werden, wie beispielsweise Kohlenstoff- oder Holzfasern. Das MIT Self-Assembly Lab begann seine Forschung im 4D-Druck von einer Stratasys Connex Maschine aus, basierend auf dem Prinzip des Material Jetting, einem Multi-Material-Prozess. Natürlich gibt es auch andere 4D-Druckmaterialien, wie z.B. Keramik, aber wir haben uns entschieden, uns auf die wichtigsten zu konzentrieren.
Quelle: Self-Assemble Lab
Letztendlich basiert der gesamte 4D-Druckprozess auf dem Material. Es ist daher notwendig zu verstehen, wie es auf bestimmte Reize reagiert. Bastien E. Rapp erklärt, dass „sehr gute Materialkenntnisse erforderlich sind, um den 4D-Druck zu erleichtern“. Sobald diese gut integriert ist, können wir verschiedene 3D-Drucktechnologien einsetzen: Stereolithographie, Material Jetting (für alle Multimaterialien), Schmelzschichtung (bei Arbeit mit Polymeren). Meistens ist der verwendete 3D-Drucker eine verbesserte Maschine, die in der Lage ist, die 4. Dimension zu berücksichtigen. Bastien E. Rapp fährt fort: „Je nach Komplexität der 4. Dimension kann es so einfach sein, wie zwei Materialien parallel zu drucken. Dies kann auch das Erwärmen oder Abkühlen des Materials während des Fertigungsprozesses beinhalten. Es gibt viele Methoden, die alle spezifische Bedingungen erfordern.“
4D-Druck Anwendungen
Da es möglich ist, ein intelligentes Material beliebig zu programmieren, gibt es den Anschein, dass die Anwendungen des 4D-Drucks recht umfangreich sind. Stellen Sie sich ein Objekt vor, das jede Form annehmen kann: Die Technologie könnte sich so auf den Bausektor auswirken, um Strukturen zu bauen, die sich an die klimatischen Bedingungen anpassen lassen, Konsumgüter könnten sich an die Bedürfnisse der Menschen anpassen, oder sogar im medizinischen Bereich, etc. Eine der ersten Ideen von Skylar Tibbits war es, mit dem 4D-Druck intelligente Rohre herzustellen. Diese Rohre könnten ihre Form je nach Wassermenge, die sie enthalten, aber auch bei allen unterirdischen Phänomenen ändern. Dadurch würde es vermieden, sie auszugraben und zu wechseln – ein zeitaufwändiger und sehr kostspieliger Prozess.
Einer der am meisten am 4D-Druck interessierten Bereiche ist zweifellos der medizinische Bereich. Der 4D-Druck könnte die Entwicklung maßgeschneiderter, intelligenter und skalierbarer Geräte ermöglichen. Beispielsweise wäre es durch den 4D-Druck eines Implantats einfacher, dessen Zustand und Lebensfähigkeit zu kontrollieren, wenn es einmal vom Patienten aufgenommen wurde. Gleiches gilt für die gesamte regenerative Medizin und die Herstellung von Zellstrukturen. Der 4D-Druck könnte es beispielsweise ermöglichen, dass sich Zellen entsprechend ihrer Temperatur an einen menschlichen Körper anpassen können. Chloé Devillard, die derzeit ihre Abschlussarbeit bei 3d.FAB vorbereitet, erklärte uns: „Wir arbeiten mit dem 4D-Druck für Anwendungen im Tissue Engineering und in der Regenerativen Medizin, um lebende Organismen zu reparieren. Insbesondere verwende ich es, um ein Blutgefäß zu reproduzieren, das in Bezug auf Physiologie, Funktion und Mechanik der Realität bestmöglich entspricht. Wir können Konstruktionen schaffen, die den Lebewesen sehr ähnlich sind.“
3d.Fab arbeitet derzeit an 4D-Druckprojekten zur Herstellung von Blutgefäßen. – Quelle: 3d.Fab
Stellen Sie sich schließlich ein 4D gedrucktes Medikament vor, das seine Substanz abhängig von der Körpertemperatur des Patienten freisetzen könnte. Es ist eines der Forschungsprojekte von Dr. Fang am MIT, er erklärt: „Wir wollen die Körpertemperatur als Auslöser nutzen. Wenn wir Polymere richtig entwickeln können, können wir vielleicht ein Medikament entwickeln, das das Medikament nur dann freisetzt, wenn sich ein Fieber entwickelt.“
Der Transportsektor im weitesten Sinne des Wortes ist auch am 4D-Druck interessiert, sei es in der Automobil- oder Luft- und Raumfahrtindustrie. Im Jahr 2018 haben wir Ihnen von dem von BMW und MIT entwickelten aufblasbaren Material erzählt, das unter dem Einfluss von Luftimpulsen in Form und Größe verformt ist. Ein interessantes Material für die Konstruktion zukünftiger Reifen, z.B. zur Selbstreparatur im Falle eines Reifenschadens oder zur Anpassung an extremste Wetterbedingungen. Neben Autos können wir auch über Flugzeuge sprechen. Ein 4D-Druckteil könnte auf atmosphärische Druck- oder Temperaturänderungen reagieren und damit die Funktion ändern – Airbus arbeitet derzeit an diesem Thema. Der Luft- und Raumfahrtriese erklärt, dass diese Komponenten Scharniere und hydraulische Stellglieder ersetzen und so das Gewicht dieser Teile erheblich reduzieren könnten.
Stellen Sie sich einen Hocker vor, der sich von selbst entfaltet. – Quelle: Self-Assembly Lab
Letztendlich ist der 4D-Druck für alle Anwendungen interessant, die einen hohen Anpassungsgrad erfordern, da es möglich ist, das Material nach individuellen Bedürfnissen zu programmieren. Im aktuellen Stadium mag das Konzept seltsam erscheinen, aber in der Zukunft könnte es Kleidung geben,, die die echte Form unseres Körpers annimmt, Möbel, die sich zusammenklappen und entfalten, um Platz zu sparen und vieles mehr! Bleiben wir gespannt!
Die Zukunft des 4D-Drucks
Obwohl sehr vielversprechend, hat diese Technologie noch viele Grenzen: Wie hoch ist die tatsächliche Widerstandsfähigkeit intelligenter Materialien im Laufe der Zeit? Werden sie ihre Aufgaben langfristig erfüllen können? Viele Unternehmen testen diesen Herstellungsprozess noch immer und nur wenige haben ihre Ergebnisse preisgegeben. Bastien E. Rapp sagte uns, dass der 4D-Druck ein gewisses Maß an technischem Wissen erfordert, was die Demokratisierung ebenso erschwert wie die additive Fertigung. „Da es sich um ein recht komplexes Thema handelt, das eine sehr gute Material- und Fertigungskontrolle erfordert, wird es möglicherweise nicht so weit verbreitet und zugänglich sein wie der 3D-Druck selbst. Aber es wird dennoch erhebliche Auswirkungen auf die Branche haben.“
BMW hat in 4D ein Silikonmaterial gedruckt, das sich selbst aufblasen kann: Ist das die Zukunft der Pneumatik?
Was halten Sie vom 4D-Druck! Teilen Sie es uns mit und kontaktieren Sie uns! Möchten Sie eine Zusammenfassung der wichtigsten Neuigkeiten im 3D-Druck und der Additiven Fertigung direkt und bequem in Ihr Postfach? Registrieren Sie sich jetzt für unseren wöchentlichen Newsletter und folgen Sie uns auf Facebook und Twitter um stets auf dem Laufenden zu bleiben! Außerdem sind wir auch auf LinkedIN und auf Youtube zu finden.
