Technologie

4D-Druck: Die vierte Dimension in der Fertigungstechnik

Forscher der ETH Zürich fügen dem 3D-Druck eine neue Komponente hinzu. Objekte können sich dadurch zeitabhängig verändern.
12.11.2017 02:00
Lesezeit: 2 min

Inhalt wird nicht angezeigt, da Sie keine externen Cookies akzeptiert haben. Ändern..

Fabian Bergamin berichtet von einer interessanten Entdeckung im Zukunftsblog der ETH Zürich:

3D-Drucker sind zum Standard vieler Forschungslabors geworden. Derweil wagt eine noch kleine Zahl von Forschenden weltweit den nächsten Schritt: Sie erweitert die Technik um eine weitere Dimension – jene der Zeit, berichtet der Zukunftsblog der ETH Zürich. Zu diesen Wissenschaftlern gehört auch Kristina Shea, Leiterin des Labors für Produktentwicklung und rechnerbasierte Methoden an der ETH Zürich. Beim sogenannten 4D-Druck werden bewegliche und veränderbare Objekte hergestellt, wie etwa flache Bausätze, die sich zu einem späteren Zeitpunkt zu dreidimensionalen Objekten entfalten lassen, oder sogar Objekte, die ihre Form in Abhängigkeit von äußeren Einflüssen ändern können.

ETH-Professorin Shea und ihre Gruppe haben diesen Ansatz nun um einen entscheidenden Schritt weitergebracht. Sie schufen ein Konstruktionsprinzip, dank dem 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 vor den ETH-Wissenschaftlern noch niemand herstellen.

Element mit zwei Zuständen

Kern des Konstruktionsprinzips ist ein von ihnen entwickeltes Hubelement, das einen von zwei möglichen Zuständen einnehmen kann: Es ist entweder eingezogen oder ausgefahren. Die Forschenden kombinierten solche Elemente zu komplexeren Strukturen. Weil die Einzelelemente nur die beiden definierten Zustände einnehmen, können die Forschenden die stabilen dreidimensionalen Formen der Gesamtstruktur voraussagen. Möglich sind auch Strukturen, die mehrere stabile Formen einnehmen können. Und weil die Forschenden auch eine Simulationssoftware entwickelten, können sie Formen und Kraft, die für Formänderungen aufgewendet werden müssen, genau voraussagen. Dies dient ihnen beim Entwurf von Objekten.

Die Wissenschaftler druckten ihre Strukturen mit einem professionellen Multimaterial-3D-Drucker, mit dem sich Objekte aus bis zu vierzig verschiedenen Materialien drucken lassen. Die Objekte der ETH-Wissenschaftler bestehen aus zwei davon: einem starren Polymer, das in den Strukturen den Hauptteil ausmacht, sowie einem elastischen Polymer für die Stellen, die beweglich sein müssen. All dies drucken die Forschenden in einem Schritt.

Effizient und schnell

„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 können die flachen Strukturen platzsparend transportiert und erst an ihrem Bestimmungsort entfaltet werden. Ähnliche Ansätze werden schon seit einiger Zeit in der Raumfahrt verfolgt, beispielsweise um Werkzeuge in einem komprimierten Zustand platzsparend ins All zu transportieren.

Die Raumfahrt ist daher eine von möglichen Anwendungsgebieten für den 4D-Druck. Die Wissenschaftler denken aber auch an die einfache Konstruktion von Strukturen für die Gebäudetechnik, etwa Ventilationssysteme oder Systeme zum Öffnen und Schließen von Klappen, oder medizinische Anwendungen wie beispielsweise Stents (implantierbare Stützen für Körpergefäße).

Derzeit entfalten die Wissenschaftler die Strukturen noch von Hand. Die Forschenden sind aber dabei, für ihre Elemente Antriebe zu entwickeln, welche die Strukturen temperaturabhängig ausfahren. Ebenfalls möglich wäre es laut den Wissenschaftlern, eine pneumatische Steuerung (mit Druckluft) zu verwenden oder quellende Materialien zu verwenden, welche ihre Form je nach Feuchte verändern.

Mehr zum Thema
article:fokus_txt
X

DWN Telegramm

Verzichten Sie nicht auf unseren kostenlosen Newsletter. Registrieren Sie sich jetzt und erhalten Sie jeden Morgen die aktuellesten Nachrichten aus Wirtschaft und Politik.
E-mail: *

Ich habe die Datenschutzerklärung gelesen und erkläre mich einverstanden.
Ich habe die AGB gelesen und erkläre mich einverstanden.

Ihre Informationen sind sicher. Die Deutschen Wirtschafts Nachrichten verpflichten sich, Ihre Informationen sorgfältig aufzubewahren und ausschließlich zum Zweck der Übermittlung des Schreibens an den Herausgeber zu verwenden. Eine Weitergabe an Dritte erfolgt nicht. Der Link zum Abbestellen befindet sich am Ende jedes Newsletters.

DWN
Panorama
Panorama Generation Z lehnt Führungspositionen ab – Unternehmen müssen umdenken
25.04.2025

Die Generation Z zeigt sich zunehmend unbeeindruckt von traditionellen Karrierewegen und Führungspositionen im mittleren Management. Eine...

DWN
Unternehmensporträt
Unternehmensporträt Reichster Ostdeutscher: Wie ein Unternehmer einen kleinen DDR-Betrieb zum globalen Player macht
25.04.2025

Rekord-Umsatz trotz Krisen: Der Umsatz von ORAFOL betrug im Jahr 2024 betrug 883 Millionen Euro – ein Rekordjahr trotz Wirtschaftskrise....

DWN
Politik
Politik Rentenbeiträge und Krankenkasse: Sozialabgaben werden weiter steigen
25.04.2025

Gerade bei der Rente hat die kommende Merz-Regierung ambitionierte Pläne. Doch gemeinsam mit den Krankenkassenbeiträgen droht...

DWN
Wirtschaft
Wirtschaft Gold im Höhenrausch: Wenn Trump das Gold sieht, wird es gefährlich
25.04.2025

Der Goldpreis steht kurz davor, einen historischen Rekord nicht nur zu brechen, sondern ihn regelrecht zu pulverisieren. Die Feinunze Gold...

DWN
Wirtschaft
Wirtschaft Deutsche Autoindustrie unter Druck: Zollkrieg sorgt für höhere Preise und verschärften Wettbewerb
25.04.2025

Der Zollkrieg zwischen den USA und Europa könnte die Auto-Preise in den USA steigen lassen und den Wettbewerb in Europa verschärfen....

DWN
Finanzen
Finanzen Vermögen der Deutschen auf Rekordhoch – aber die Ungleichheit wächst mit
25.04.2025

Private Haushalte in Deutschland verfügen so viel Geld wie nie zuvor – doch profitieren längst nicht alle gleichermaßen vom...

DWN
Wirtschaft
Wirtschaft Deutschland am Wendepunkt: Wirtschaftsmodell zerbricht, Polen rückt vor
25.04.2025

Deutschlands Wirtschaftsmaschinerie galt jahrzehntelang als unaufhaltsam. Doch wie Dr. Krzysztof Mazur im Gespräch mit Polityka...

DWN
Wirtschaft
Wirtschaft China im Handelskrieg: Regierung bereitet sich auf das Schlimmste vor
25.04.2025

Chinas Führung bereitet sich inmitten des eskalierenden Handelskonflikts mit den USA auf mögliche Härtefälle vor. In einer Sitzung des...