Die vierte Dimension

4D-Druck wird das Prinzip genannt, wenn sich gedruckte Objekte verändern lassen. Forscher der ETH Zürich haben dafür nun eine praxisgerechte Konstruktions- und Produktionsmethode gefunden.

23. Mai 2017

Während der 3D-Druck sich langsam einen Platz im Spektrum der nutzbaren Produktionsmethoden erobert, wird diese Methode von Wissenschaftlern schon weiterentwickelt. So arbeitet gerade das Labor für Produktentwicklung und rechnerbasierte Methoden an der ETH Zürich daran, im  sogenannten 4D-Druck bewegliche und veränderbare Objekte herzustellen. Das können flache Bausätze sein, die sich zu dreidimensionalen Objekten entfalten lassen, oder sogar Objekte, die ihre Form in Abhängigkeit von äußeren Einflüssen ändern können.

Die Leiterin des Labors Prof. Kristine Shea und ihre Gruppe haben diesen Ansatz nun um einen Schritt weitergebracht. Sie schufen ein Konstruktionsprinzip, durch das sich die Formänderungen genau kontrollieren lassen. "Unsere flach hergestellten Strukturen verändern ihre Konfiguration nicht irgendwie, sondern genau wie von uns vorgesehen", sagt Tian Chen, Doktorand in Sheas Gruppe. Außerdem können die Strukturen mit Gewicht belastet werden. Solche tragfähigen 4D-Druck-Objekte konnte laut ETH vor den Züricher Wissenschaftlern noch niemand herstellen.

Kern des Konstruktionsprinzips ist ein neu entwickeltes Hubelement, das einen von zwei möglichen Zuständen einnehmen kann: Es ist entweder eingezogen oder ausgefahren. Solche Hubelemente kombinieren die Forscher mit starren Elementen zu komplexen Formen. Weil die Einzelelemente nur die beiden definierten Zustände einnehmen, können die Forscher die Maße der Gesamtstruktur im ausgefahrenen Zustand voraussagen. Möglich sind auch Strukturen, die mehrere stabile Formen einnehmen können. Die Forscher haben auch schon eine Simulationssoftware entwickeltet, mit der sich die Formen und die aufzuwendenden Kräfte für Formänderungen berechnen lassen.

Für die Herstellung wird ein professioneller Multimaterial-3D-Drucker verwendet, mit dem sich Objekte aus bis zu vierzig verschiedenen Materialien drucken lassen. Die Objekte der ETH-Wissenschaftler bestehen aus einem starren Polymer, das in den Strukturen den Hauptteil ausmacht, sowie einem elastischen Polymer für die Stellen, die beweglich sein müssen. Das Entfalten der Strukturen erfolgt noch per Hand. In Entwicklung befinden sich Elemente, die temperaturabhängig ausfahren. Ebenfalls möglich wäre es, eine pneumatische Steuerung zu verwenden oder  quellende Materialien zu verwenden, welche ihre Form je nach Feuchte verändern.

"Der 4D-Druck hat mehrere Vorteile", sagt ETH-Professorin Shea. "Eine flache Ausgangsform mit starren und beweglichen Abschnitten in einem Schritt zu drucken, ist äußerst effizient. Viel komplexer und zeitaufwendiger wäre es hingegen, solche Objekte dreidimensional herzustellen oder sie aus mehreren losen Komponenten zusammenzubauen." Außerdem lassen sich die flachen Strukturen platzsparend transportieren und erst an ihrem Bestimmungsort entfalten. Ähnliche Ansätze werden schon seit einiger Zeit in der Raumfahrt verfolgt, beispielsweise um Werkzeuge in einem komprimierten Zustand platzsparend ins All zu transportieren.