'4D Printing' Macht Formveränderliche Strukturen

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Mit der technik des 4d-druckens können forscher 3d-strukturen ausdrucken, die ihre form im laufe der zeit ändern können.

Mit einer neuen Technik, dem sogenannten 4D-Druck, können Forscher dynamische 3D-Strukturen ausdrucken, die ihre Form im Laufe der Zeit ändern können.

Solche 4D-gedruckten Artikel könnten eines Tages in allen Bereichen eingesetzt werden, von medizinischen Implantaten bis hin zu Haushaltsgeräten.

Beim heutigen 3D-Druck werden Gegenstände aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt - Kunststoff, Keramik, Glas, Metall und noch ungewöhnlichere Zutaten wie Schokolade und lebende Zellen. Die Maschinen arbeiten, indem sie Materialschichten ablegen, genau wie gewöhnliche Drucker Tinte aufbringen, außer dass 3D-Drucker auch flache Schichten übereinander legen können, um 3D-Objekte zu erstellen.

"Heute ist diese Technologie nicht nur in der Industrie zu finden, sondern auch in Haushalten für weniger als 1.000 USD", sagte der Hauptautor der Studie, Dan Raviv, Mathematiker am MIT. "Das Wissen, dass Sie fast alles drucken können, nicht nur 2D-Papier, eröffnet ein Fenster für unbegrenzte Möglichkeiten, in dem Spielzeug, Haushaltsgeräte und Werkzeuge online bestellt und in unseren Wohnzimmern hergestellt werden können."

In einem weiteren Schritt entwickeln Raviv und seine Kollegen nun den 4D-Druck, bei dem 3D-Druckelemente zum Bedrucken von Objekten verwendet werden. [Die 10 seltsamsten Dinge, die durch 3D-Drucken erstellt wurden]

"Der aufregendste Teil sind die zahlreichen Anwendungen, die sich aus dieser Arbeit ergeben können", sagte Raviv gegenüber WordsSideKick.com. "Dies ist nicht nur ein cooles Projekt oder eine interessante Lösung, sondern etwas, das das Leben vieler Menschen verändern kann."

In einem heute online veröffentlichten Bericht (18. Dezember) in der Zeitschrift Scientific Reports erläutern die Forscher, wie sie 3D-Strukturen aus zwei Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften drucken. Ein Material war ein steifer Kunststoff und blieb steif, während das andere wasserabsorbierend war und sich beim Eintauchen in Wasser verdoppeln konnte. Die genaue Formel dieses wasserabsorbierenden Materials, das von der 3D-Druckerei Stratasys in Eden Prairie, Minnesota, entwickelt wurde, bleibt ein Geheimnis.

Die Forscher druckten ein quadratisches Raster auf, das auf jeder Seite ungefähr 38 cm (15 Zoll) misst. Als sie das Gitter in Wasser plazierten, stellten sie fest, dass das wasserabsorbierende Material wie Fugen wirken kann, die sich dehnen und falten und eine Vielzahl von Formen mit komplexen Geometrien erzeugen. Zum Beispiel erstellten die Forscher eine 3D-gedruckte Form, die den Initialen "MIT" ähnelte und in eine andere Form umgewandelt werden konnte, die den Initialen "SAL" ähnelte.

"In Zukunft stellen wir uns eine Vielzahl von Anwendungen vor", sagte Raviv. Dazu gehören Geräte, die sich an Wärme anpassen und die Funktionalität oder den Komfort verbessern können, Produkte für die Kinderbetreuung, die auf Feuchtigkeit oder Temperatur reagieren können, sowie Bekleidung und Schuhe, die durch das Erkennen der Umgebung eine bessere Leistung erbringen.

Darüber hinaus könnten 4D-gedruckte Objekte zu neuartigen medizinischen Implantaten führen. "Heute drucken Forscher biokompatible Teile, die in unseren Körper implantiert werden sollen", sagte Raviv. "Wir können jetzt Strukturen erzeugen, die ohne Eingriff von außen die Form und Funktionalität verändern."

Eine Schlüsselanwendung in der Gesundheitsfürsorge könnte Herzstents sein, Schläuche, die zur Heilung im Herzen platziert werden. "Wir möchten Teile drucken, die im Körper ein Leben lang überleben können, wenn nötig", sagte Raviv.

Die Forscher möchten nun sowohl größere als auch kleinere 4D-gedruckte Objekte erstellen. "Derzeit haben wir einige Zentimeter große Artikel hergestellt", sagte Raviv. "Für Dinge, die in den Körper gehen, wollen wir 10 bis 100 Mal kleiner sein. Für Haushaltsgeräte wollen wir 10 Mal größer sein."

Raviv weist darauf hin, dass zur Verbesserung der beim 4D-Druck verwendeten Materialien viel Forschung erforderlich ist. Obwohl die von den Forschern entwickelten 4D-gedruckten Objekte beispielsweise einigen Zyklen des Benetzens und Trocknens widerstehen können, verlieren die Materialien nach mehreren Dutzend Zyklen des Faltens und Entfaltens ihre Formänderungsfähigkeit. Die Wissenschaftler sagten, sie würden auch gerne Materialien entwickeln, die auf andere Faktoren als Wasser wie Hitze und Licht reagieren.

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