Zürich – Was Forscher unter "4-D-Druck" verstehen, geht weit über den 3-D-Druck hinaus: Die gedruckten Objekte verändern ihre Form zeitabhängig, falten sich zum Beispiel vom flachen Bausatz zu einem gewölbten Konstrukt auf. Forscher der ETH Zürich stellten nun ein neues Verfahren vor, wie sich damit vorhersagbare und tragfähige Strukturen erzeugen lassen.
Die Wissenschafter um Kristina Shea haben ein Konstruktionsprinzip entwickelt, mit dem sich die Formveränderungen beim 4-D-Druck exakt kontrollieren lassen, heißt es in der Studie im Fachblatt "Scientific Reports". "Unsere flach hergestellten Strukturen verändern ihre Konfiguration nicht irgendwie, sondern genau wie von uns vorgesehen", so Koautor Tian Chen. Zudem seien die so hergestellten Strukturen sehr tragfähig.
Vorhersagbare Veränderungen
Die Forscher entwickelten ein spezielles Hubelement, das nur zwischen zwei Zuständen wechseln kann: eingezogen oder ausgefahren. Es besteht aus einem starren Polymer für die unbeweglichen Bestandteile, und einem elastischen für die beweglichen. Diese Bauteile erzeugten Chen und seine Kollegen in einem Schritt in einem Multimaterial-3-D-Drucker.
Weil die einzelnen Elemente nur einen von zwei Zuständen einnehmen können, sind auch die daraus zusammengesetzten komplexeren Strukturen vorhersagbar. Dabei hilft eine ebenfalls eigens entwickelte Simulationssoftware. Noch müssten die Strukturen per Hand entfaltet werden, man arbeite aber an Antrieben für ihre Elemente, so die Forscher. Diese sollen die Strukturen temperaturabhängig aktivieren. Ebenfalls möglich wäre eine Steuerung mit Druckluft oder quellende Materialien, die durch Feuchtigkeit ihre Form verändern.
Effizienter Transport
Vergleichbare dreidimensionale Objekte mit gängigen Verfahren herzustellen oder aus mehreren losen Komponenten zusammenzubauen sei viel komplexer und zeitaufwendiger als mit 4-D-Druck, sagte Shea. Flache Strukturen ließen sich zudem platzsparend transportieren und erst am Bestimmungsort entfalten.
Anwendungsgebiete wären beispielsweise die Raumfahrt, die bereits seit einiger Zeit ähnliche Ansätze verfolgt, aber auch die Gebäudetechnik oder die Medizin. Denkbar wäre zum Beispiel eine neue Generation von Stents, also Gerüste, die Körpergefäße stützen und offen halten. Mit 4-D-Druck könnten sie sich erst nach dem Einsetzen in den Körper entfalten. (APA, 8.5.2017)