Revolution im 4D-Druck: Formgedächtnis-Power für Zukunftstechnologien!

Braunschweig, Deutschland - Der revolutionäre 4D-Druck, der die additive Fertigung aktiver Strukturen mit Formgedächtnis ermöglicht, hat in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen. Diese innovative Technologie erlaubt es, Materialien so zu gestalten, dass sie ihre Form unter bestimmten äußeren Einwirkungen wie Wärme, Licht, oder elektrischen Feldern verändern können. Das Forschungsprojekt „Gedruckte, polymere Formgedächtnisstrukturen“, das von der DFG gefördert wird, untersucht dabei die Prozessparameter, die für ein verlässliches Formgedächtnis notwendig sind. Insbesondere werden thermoplastische Kunststoffe, die durch Erwärmung formbar und beim Abkühlen wieder stabilisieren, in den Fokus genommen. Laut TU Braunschweig entstehe das Formgedächtnis durch eine Art „Einfrieren“ des Materials in einer gestreckten Form, die dann bei späterer Erwärmung wieder verändert werden kann.

Die Detailaufnahmen während des Druckprozesses zeigen die Polymerschmelze, aus der die komplexen Formen entstehen. Ein umfassendes Verständnis des Verformungs- und Fließverhaltens der verwendeten Materialien ist hierbei wichtig, um die gewünschten Ergebnisse zu erreichen. Ziel der Wissenschaftler an der TU ist es, diese Prozesse simulativ abzubilden sowie die verschiedenen Einflussgrößen zu identifizieren, um den 4D-Druck näher an industrielle Anwendungen zu bringen. Die Herausforderungen sind dabei nicht zu unterschätzen, denn im Gravitationsfeld der Erde wirken nur geringe Kräfte auf die Formgedächtnispolymere.

Innovationen in der Forschung

Wissenschaftler der ETH Zürich haben in einer Studie mit dem Titel „Large Shape Transforming 4D Auxetic Structures“ weitere Fortschritte im Bereich 4D-Druck erzielt. Diese Programmierbaren Strukturen ermöglichen es, dass Geometrien sich unter Wärmeeinfluss um bis zu 200% ausdehnen können, bevor sie ihre ursprüngliche Form zurücknehmen. Die Struktur wird aus einem thermoviskoelastischen Metamaterial hergestellt, das durch den Einsatz des Objet500 Connex3 Druckers von Stratasys und dem VeroWhitePlus RGD835 Material verarbeitet wird. Diese Kombination von programmierbarer Geometrie und modernen 3D-Drucktechnologien könnte signifikante Auswirkungen auf Bereiche wie Biomedizin, Bauwesen und Raumfahrt haben, da diese Strukturen weniger Platz benötigen und effizienter gestaltet werden können, wie 3D Druck berichtet.

Ein zentrales Ziel ist es, Anwendungen zu finden, bei denen eine manuelle Änderung der Konfiguration nicht praktikabel ist. Diese Entwicklungen haben das Potenzial, neue Lösungen für die Herstellung von medizinischen Implantaten oder adaptive Bauweise in der Luft- und Raumfahrt zu bieten, wo modulare Strukturen beim Start komprimiert und sich während des Einsatzes entfalten könnten.

Industrielle Anwendung und Materialien

Die Fortschritte in der 4D-Drucktechnologie ziehen auch das Interesse der Industrie an. Unternehmen wie Evonik kooperieren mit NXT Factory zur Entwicklung der QLS Technologie, die für die Verarbeitung von Hochtemperaturwerkstoffen optimiert ist. Diese patentierte Technologie ermöglicht eine vollautomatische und unüberwachte additive Fertigung, die den Übergang von Prototyping zu kleiner und mittlerer Serienproduktion ermöglicht. Die K-Zeitung hebt hervor, dass Evonik plant, sein neues hochtemperaturbeständiges Polymerpulver PA 613 auf der QLS 350-Plattform einzuführen, welches ebenfalls zur Herstellung von 4D-gedruckten Strukturkomponenten genutzt werden kann.

Das Endziel dieser Entwicklungen bleibt die Erweiterung der Anwendungsgebiete und die Behebung derzeit bestehender wissenschaftlicher Fragestellungen, um robuste und funktionale Materialien zu schaffen, die den Anforderungen der Industrie gerecht werden.