{"id":57392,"date":"2024-07-11T15:00:15","date_gmt":"2024-07-11T13:00:15","guid":{"rendered":"https:\/\/www.3dnatives.com\/de\/?p=57392"},"modified":"2024-07-11T14:06:28","modified_gmt":"2024-07-11T12:06:28","slug":"die-spannendsten-4d-druck-projekte-110720241","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.3dnatives.com\/de\/die-spannendsten-4d-druck-projekte-110720241\/","title":{"rendered":"Die spannendsten 4D-Druck Projekte"},"content":{"rendered":"

Haben Sie schon vom 4D-Druck<\/a> geh\u00f6rt? Der 4D-Druck baut auf dem herk\u00f6mmlichen 3D-Druck<\/a> auf und bezieht eine weitere Dimension ein: die Zeit. Das bedeutet, dass das fertige Objekt nicht statisch bleibt, sondern nach einem externen Stimulus seine Form, Farbe oder Gr\u00f6\u00dfe \u00e4ndern kann. Die Urspr\u00fcnge des 2013 eingef\u00fchrten 4D-Drucks gehen auf Sklyar Tibbs vom Self-Assembly Lab des MIT zur\u00fcck, der auch heute noch zu den aktivsten Projektleitern geh\u00f6rt, auch wenn sich das Gebiet inzwischen stark weiterentwickelt hat. Aber welche Projekte gibt es? In unserer neuesten Auflistung<\/a> haben wir verschiedene erfolgreiche Beispiele f\u00fcr den 4D-Druck in diesem Bereich, einschlie\u00dflich der Anwendungen und Materialien<\/a>, n\u00e4her betrachtet.<\/p>\n

Mizzou Engineering entwickelt Implantat aus intelligentem Material<\/strong><\/h3>\n

Einem Forscherteam von Mizzou Engineering ist es im Rahmen einer Anfang des Jahres ver\u00f6ffentlichten Studie gelungen, ein medizinisches Implantat per 4D-Druck zu entwickeln. Das Implantat kann vollst\u00e4ndig personalisiert werden und f\u00f6rdert dank seiner Materialzusammensetzung auch die Regeneration des Weichgewebes. Ausschlaggebend f\u00fcr eine personalisierte Behandlungsm\u00f6glichkeit, sei der 4D-Druck des Implantats gewesen, hei\u00dft es von Seiten der Wissenschaftler. Beim 4D-Druck werden 3D-Drucktechnik<\/a> und intelligente Materialien verbunden, welche ihre Funktionen in bestimmten Kontexten anpassen k\u00f6nnen. In diesem Fall wurde auf einen bioresorbierbaren Formged\u00e4chtniselastomer gesetzt. So konnte auf die Beschwerden des Pateinten eingegangen werden und eine optimale Behandlung<\/a> aufgezeigt werden: \u201eWir haben ein In-vitro-Modell des Patienten entworfen und es intravaskul\u00e4r in ein 3D-gedrucktes Herz<\/a> des Patienten implantiert, um einen Proof of Concept zu zeigen, wie das Material f\u00fcr dieses Problem eingesetzt werden k\u00f6nnte<\/em>,\u201c sagt Alireza Mahjoubnia, Doktorand im Fach Maschinenbau. \u201eDas Material kann sein Verhalten je nach physiologischen Bedingungen \u00e4ndern. Wir programmieren seine Form so, dass es durch einen Katheter passt, und nachdem es in das linke Herzohr gelangt ist, kann es seine Form wiederherstellen und zu seiner urspr\u00fcnglichen Form zur\u00fcckkehren, wobei es ein Formged\u00e4chtnisverhalten zeigt<\/em>.\u201c<\/p>\n

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(Bild: University of Missouri)<\/p><\/div>\n

4D-Druck f\u00fcr die Knochenregeneration<\/h3>\n

In China untersuchte eine Gruppe von Forschern die M\u00f6glichkeit, intelligente biopiezoelektrische 4D-Ger\u00fcste f\u00fcr die Knochenregeneration zu schaffen. Die Piezoelektrizit\u00e4t in menschlichen Knochen ist ein Schl\u00fcsselfaktor f\u00fcr die Knochenregeneration. Daher haben biopiezoelektrische Materialien bei der Reparatur gesch\u00e4digter Knochen gro\u00dfe Aufmerksamkeit erlangt. Herk\u00f6mmliche Herstellungsstrategien sto\u00dfen jedoch noch immer auf Grenzen bei der Herstellung ma\u00dfgeschneiderter Ger\u00fcste, was ihre klinische Anwendung behindert. Die Forscher untersuchten daher den Einsatz von 3D- und 4D-Druck f\u00fcr die Herstellung von biopiezoelektrischen Ger\u00fcsten in komplexer geformten Strukturen. Insbesondere k\u00f6nnen 4D-Ger\u00fcste zeitabh\u00e4ngig programmierbares Gewebe als Reaktion auf externe Stimuli f\u00fcr die Knochenregeneration bereitstellen. Diese intelligenten Implantate ver\u00e4ndern Form, Eigenschaften und Funktionalit\u00e4t beim Knochengewebe-Engineering und k\u00f6nnten daher als Implantate der n\u00e4chsten Generation eingesetzt werden.<\/p>

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Piezoelektrische Materialien, Druckverfahren und m\u00f6gliche Anwendungen f\u00fcr 4D-Implantate. (Bild: Annan Chen et al 2023 Int. J. Extrem. Manuf.)<\/p><\/div>\n

4D-Ger\u00e4te, die den Mechanismus von Pflanzen nachahmen<\/b><\/h3>\n

Die n\u00e4chste Anwendung des 4D-Drucks stammt von einer Gruppe von Forschern des Wyss-Instituts und der School of Engineering and Applied Sciences, beides Einrichtungen der Harvard University. Das Team hat einen Weg gefunden, die dynamischen Ver\u00e4nderungen in Pflanzen und Blumen als Reaktion auf Feuchtigkeit und Temperatur mit Hilfe von 4D-gedruckten Hydrogel-Kompositen zu imitieren. Zu diesem Zweck entwickelten sie eine Tinte aus ausgerichteten Zellulosefibrillen, die aus Holz gewonnen und nach dem mathematischen Modell des 4D-Drucks konfiguriert wurden. Diese Tinte kodiert Ausdehnungs- und Steifigkeitseigenschaften, die es erm\u00f6glichen, das Ausdehnungsverhalten zu programmieren, wenn die Drucke in Wasser eingetaucht werden. Ebenso k\u00f6nnen verschiedene Hydrogelmaterialien verwendet und Zellulosefasern durch andere F\u00fcllstoffe, z. B. leitf\u00e4hige, ersetzt werden. Zu den Anwendungen geh\u00f6ren medizinische Ger\u00e4te, die bei Kontakt mit K\u00f6rperfl\u00fcssigkeiten programmierte Formen annehmen, intelligente Textilien, weiche Elektronik, Sensoren und elektrische Aktoren.<\/span><\/p>\n

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(Bild: Wyss-Institut)<\/p><\/div>\n

4D-Drucktechnologie f\u00fcr die Robotik<\/b><\/h3>\n

Die Forscher Dr. Liwen Zhang und Dr. Ruirui Quiao an der University of Queensland haben eine 4D-Drucktechnologie entwickelt, die fl\u00fcssige Metalle<\/a> f\u00fcr die Robotik<\/a> erzeugt, welche mithilfe von Nahinfrarotlicht ihre Form ver\u00e4ndern. Die Metallpolymere, die durch Infrarotlaser mechanische Aufgaben erledigen k\u00f6nnen, befinden sich in der Forschungsphase, bieten aber Potential f\u00fcr die Luft- und Raumfahrt<\/a> sowie f\u00fcr die Medizin<\/a>, beispielsweise bei der Herstellung k\u00fcnstlicher Muskeln. Die Druckharze werden mit runden Metallnanopartikeln hergestellt, die auf Infrarotlicht reagieren. Dadurch k\u00f6nnen diese gesteuert und bewegt werden. Die neuen Herstellungsmethoden des Labors erm\u00f6glichen es, flexible Designs zu erzeugen, die gleichzeitig fest sind. Dr. Zhang betont: <\/span>\u201e4D-Druck erweitert den traditionellen 3D-Druck um eine neue Dimension \u2013 die Dimension der Zeit. Unsere Methode erm\u00f6glicht es uns, intelligente Fl\u00fcssigmetalle herzustellen, die individuell angepasst, geformt und im Laufe der Zeit ver\u00e4ndert werden k\u00f6nnen, ohne dass Kabel oder Schaltkreise erforderlich sind.\u201c <\/span><\/i>Die Technologie soll dar\u00fcber hinaus f\u00fcr die Softrobotik und verwandte Technologien genutzt werden, um nat\u00fcrliche Bewegungen und Interaktionen zu imitieren.<\/span><\/p>\n

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Die 4D-Struktur, die sich bei Nahinfrarotlicht in Bewegung setzt. (Bild: Australische Institut f\u00fcr Bioengineering und Nanotechnologie University of Queensland)<\/p><\/div>\n

4D-Druck f\u00fcr die Raumfahrt<\/b><\/h3>\n

Zortrax, ein 3D-Drucker-Hersteller, arbeitete \u00fcber ein Jahr an einem von der Europ\u00e4ischen Weltraumorganisation finanzierten 4D-Druckprojekt, um elektrische Mechanismen mittels 3D-Druck zu entwickeln, die Biegen, Drehen und Entfaltung erm\u00f6glichen. Bereits 2013 wurden 4D-einsetzbare Strukturen erforscht, die sich bei W\u00e4rme bewegen sollten. Jedoch brachte das Projekt viele Schwierigkeiten mit sich, da das Verfahren kaum kontrollierbar war und sich bereits bei 40\u00b0C aktivierte.Dieses Problem wurde nun durch den Einsatz neuer Materialien, Software<\/a> und 3D-Drucker gel\u00f6st. Als Material wurden Formged\u00e4chtnispolymere verwendet, die eine Glas\u00fcbergangstemperatur von 75\u00b0C haben, sowie das elektrisch leitf\u00e4hige Filament FIBERFORCE NYLFORCE Conductive, das als Heizung fungiert und den Formged\u00e4chtniseffekt ausl\u00f6st. Dieser Prozess beschreibt die Eigenschaft bestimmter Materialien, nach einer Verformung in ihre Ausgangsform zur\u00fcckzukehren. Zudem wurde die Z-SUITE-Software und der Dual-Extrusions-3D-Drucker M300 Dual gew\u00e4hlt, der ein Bi-Material-3D-Druckverfahren einsetzt und mit zwei Druckk\u00f6pfen gleichzeitig drucken kann. Das Design wurde feder\u00e4hnlich gestaltet, um gen\u00fcgend Drehmoment zu erzeugen, damit sich das 3D-gedruckte Chassis ohne Reibung drehen kann. Dieser Fortschritt bietet gro\u00dfes Potential in der Raumfahrt, da er das Gewicht von Antennen oder Sensoren verringern k\u00f6nnte und der Prozess auch auf gr\u00f6\u00dfere Mechanismen angewendet werden kann. Derzeit befindet sich das Projekt noch in der Forschungsphase.<\/span><\/p>\n

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Demonstratoren der 4D-Drucktechnologie. (Bild: Zortrax)<\/p><\/div>\n

Der I-Seed-Roboter<\/h3>\n

Forscher des Italienischen Instituts f\u00fcr Technologie (ITT) haben mit Hilfe des 4D-Drucks den weichen Roboter I-Seed entwickelt. Dieser von Pflanzensamen inspirierte Roboter ist in der Lage, Temperatur und Feuchtigkeit von Boden und Luft zu analysieren und zu \u00fcberwachen sowie das Vorhandensein von Schadstoffen zu erkennen. Konkret wurde I-Seed durch Nachahmung der Funktionsweise einer s\u00fcdafrikanischen Geranie gebaut und ist in der Lage, seine Form zu ver\u00e4ndern, wenn er Feuchtigkeit aufnimmt. Die Forscher druckten den Roboter im FDM-Verfahren<\/a> mit biologisch abbaubaren Polymeren auf Polycaprolactonbasis. Bei der Entwicklung von I-Seed haben sie die biomechanischen Eigenschaften der afrikanischen Pflanze nachgeahmt, damit er in seinen Abmessungen und seiner Leistung einem echten Samen so nahe wie m\u00f6glich kommt.<\/p>\n