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4D-DRUCK: Im Weltall zählt jedes Kilogramm

Nach dem 3D-Druck folgt 4D. Das Dreidimensionale wird um eine Dimension erweitert: die Zeit. Produkte bauen sich erst auf, wenn das nötig ist. Zum Beispiel in der Raumfahrt oder der Medizin.
Andreas Lorenz-Meyer
Beim Transport ins Weltall könnte der 4D-Druck helfen, Platz und Gewicht zu sparen. (Bild: AP)

Beim Transport ins Weltall könnte der 4D-Druck helfen, Platz und Gewicht zu sparen. (Bild: AP)

Andreas Lorenz-Meyer

Beim 3D-Druck werden Gegenstände in einzelnen, dünnen Schichten zu einem dreidimensionalen Objekt zusammen­gefügt. Mit der digitalen Fertigungstechnik lassen sich Spielzeuge, Autoteile oder Prothesen herstellen. Die Forschung nähert sich nun schon der nächsten Entwicklungsstufe, dem 4D-Druck. Die Technik ist hier um eine vierte Dimension erweitert: die Zeit.

Das heisst, die gedruckten Objekte bleiben nicht so wie sie sind, sondern verändern irgendwann ihre Gestalt, wofür es einen äusseren Reiz braucht. Das kann eine Temperaturerhöhung sein oder Licht. Kristina Shea, Leiterin des Labors für Produktentwicklung und rechnerbasierte Methoden an der ETH Zürich, gelang in diesem noch recht neuen Forschungsfeld im letzten Jahr ein Durchbruch.

Shea und ihre Kollegen haben eine flache Polymerstruktur – ein chemischer Stoff aus Makromolekülen – entwickelt, die sich entfalten kann. Und zwar genau wie vorgesehen. Die Struktur besteht aus zwei unterschiedlichen Polymertypen, erklärt Shea. «Das starre weisse Polymer sorgt für Festigkeit, während das biegsame schwarze Polymer die Flexibilität bringt, die wir zur Veränderung der Struktur benötigen.» Die Struktur ist damit bistabil, wie es Forscher nennen.

Wechseln zwischen zwei stabilen Zuständen

Bistabilität bedeutet, dass ein Objekt zwischen genau zwei stabilen Zuständen wechseln kann. Die Verformung wird dadurch kon­trollierbar, die Struktur verändert sich exakt so, wie es gewollt ist. Shea: «Jede Einheit unserer Struktur besteht aus mehreren bistabilen Elementen. Jedes Element darin kann zwischen einem eingezogenen Zustand und einem ausgefahrenen Zustand wechseln. Im eingezogenen Zustand misst es 12 Millimeter, im ausgefahrenen Zustand 20 Millimeter – aber nichts dazwischen.» Der eingefahrene Zustand bedeutet, die Struktur ist zusammengefaltet.

Das Material lässt sich nicht nur kontrolliert verändern, sondern bleibt, ohne Energiezufuhr von aussen, aktiviert und ist zudem belastbar. Die Tragfähigkeit gehört neben der Kontrollierbarkeit zu den Fortschritten, die Shea und Kollegen erzielten. «Bisher konzentrierte sich die Forschung auf die Änderung der Form. Unser Design fügt nun eine Änderung der Funktion hinzu. Die flache Struktur ist elastisch, aber sobald sie sich entfaltet, wird sie starr und damit tragfähig.»

Bistabile Polymerstrukturen eröffnen laut Shea neue Möglichkeiten für den Transport von Objekten aller Art. Etwa in der Raumfahrt: Auf dem langen Weg durchs Weltall nimmt das «Gepäck» in eingefahrenem Zustand kaum Platz weg – erst am Ziel angekommen, entfaltet es sich. Denkbar ist der Einsatz grundsätzlich da, wo Volumen und Gewicht sehr teuer sind. Auch die Biomedizin könnte von Objekten profitieren, die sich mit der Zeit verändern. Etwa in Form von Implantaten, die sich nach dem Einsetzen in den Körper den anatomischen Gegebenheiten anpassen. Vielleicht können wir dank 4D-Druck auch Kleiderschränken eines Tages dabei zusehen, wie sie sich von selbst aufbauen.

Fragt sich nur, was die Veränderung, das Entfalten, letztlich auslöst. Der Test äusserer Reize, die als Antrieb dienen, gehört zu den zentralen Aspekten der 4D-Druck-Forschung. Die Zürcher Polymerstruktur ist reines Demonstrationsobjekt und wird per Hand entfaltet, aber Shea arbeitet schon an einem automatisierten Aktivierungsmechanismus. Die Flachstruktur soll sich von alleine entfalten können, und zwar per Temperaturveränderung. Shea: «Wir wissen, dass viele wärmehärtende Polymere ein Formgedächtnis haben. Das wollen wir ausnutzen. Durch Temperaturerhöhung machen wir die Struktur zuerst weich und können sie so in die gewünschte Form bringen, zum Beispiel für den Transport. Dann senken wir die Temperatur, so dass die Struktur während des Transports im programmierten Zustand bleibt. Wollen wir sie schliesslich entfalten, erhitzen wir sie wieder und sie verwandelt sich autonom in ihren Endzustand.»

3D-Struktur mit Formgedächtnis

Solche thermische Aktivierung demonstrierten auch Forscher vom Lawrence Livermore National Laboratory in den USA. Sie druckten eine 3D-Struktur aus flexiblem Silikondruckmaterial mit Formgedächtnis. In die Struktur eingearbeitet wurden Mikrokugeln, die mit Gas gefüllt sind. Wird die Struktur nach Abkühlung wieder erhitzt, dehnt sich das Gas in den Mikrokugeln aus, und die vorher komprimierte Struktur kehrt zu ihrer ursprünglichen Form zurück. Dieser Prozess ist vorhersagbar und wiederholbar. Die Technik könnte zum Beispiel bei der Polsterung von Schutzhelmen zum Einsatz kommen. Das komprimierte Material wird bei Temperaturen unterhalb der Körpertemperatur gelagert, setzt man dann den Helm auf, passt es sich automatisch der Kopfform an. Neben der Temperatur hält Shea auch Feuchtigkeit, Licht, Druck und Elektromagnetismus für mögliche Aktivierungsmechanismen.

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