Forscher der Universität Tokio entwickeln neue 4D-Druckmethode für eine effizientere und nachhaltigere Fertigung

Forscher der Universität Tokio haben eine neue Methode vorgestellt, die 2D-Druck, Origami und Chemie kombiniert, um eine schnelle Herstellung von 3D-Objekten zu erreichen, ohne dass Materialabfall entsteht.

Diese als 4D-Druck bekannte Methode führt einen besonderen 3D-Fertigungsansatz ein, der das Potenzial hat, Einschränkungen zu überwinden und interessante Perspektiven für verschiedene Branchen zu eröffnen. Im Gegensatz zu herkömmlichen schichtweisen 3D-Drucktechniken, die zu längeren Produktionszeiten und Materialverschwendung führen, ließen sich die Forscher vom 4D-Druck inspirieren. Hier falten sich Materialien mit einzigartigen Eigenschaften unter bestimmten Bedingungen selbst zu komplexen 3D-Formen, wobei die Zeit ein entscheidender Aspekt bei der Transformation ist.

„Unsere größte Herausforderung bestand darin, die Optionen für Hardware und Materialien zu verfeinern. Es dauerte über ein Jahr, bis wir die endgültigen Entscheidungen getroffen hatten“, sagte Koya Narumi, Projektassistentprofessor am Fachbereich Elektrotechnik und Informationssysteme der Universität Tokio. „Aber der ganze Versuch und Irrtum hat sich gelohnt; Im Vergleich zu früheren Untersuchungen rund um dieselbe Grundidee haben wir die Ausgabeauflösung um das 1.200-fache verbessert, was bedeutet, dass die Designs, die wir erstellen können, nicht nur Neuheiten sind, sondern für reale Anwendungen verwendet werden können. In Zukunft könnten wir funktionelle Materialien wie leitfähige oder magnetische Tinten erforschen, die den Bau von Maschinen und anderen funktionellen Geräten ermöglichen könnten.“

Eine neue Methode für eine schnelle und abfallfreie Fertigung

Das Herzstück der Technik ist ein spezieller Tintenstrahldrucker, der für die Verarbeitung UV-reaktiver Materialien entwickelt wurde. Obwohl diese Drucker möglicherweise höhere Kosten verursachen, sind sie in Herstellergemeinschaften und Gemeinschaftswerkstätten leicht zugänglich. Der Drucker bringt ein 2D-Origami-Design präzise auf beide Seiten einer wärmeschrumpfenden Kunststofffolie auf. Darüber hinaus bleibt die im Druckprozess verwendete Tinte beim anschließenden Schrumpfen unbeeinträchtigt, so dass sie auch nach dem Trocknen ihre Flexibilität behält. Durch die strategische Einbeziehung von Lücken zwischen den Tintenabschnitten auf beiden Seiten erhalten Designer eine präzise Kontrolle über die Faltrichtung des Blattes.

Der Selbstfaltvorgang wird dadurch ausgelöst, dass das flache Blatt mit heißem Wasser erhitzt wird. Durch diese Hitzeeinwirkung schrumpft die Basisfolie. Bei diesem Vorgang spielt die schrumpfbeständige Tinte eine entscheidende Rolle und führt dazu, dass sich das Material spontan zu einer komplexen Origami-ähnlichen Struktur faltet.

„Mein Team und ich haben herausgefunden, wie man mit zugänglichen Werkzeugen und Materialien selbstfaltende 4D-Objekte erstellen kann“, fügte Narumi hinzu. „Im Wesentlichen erstellen wir flache Blätter mit Origami-Mustern darauf, und diese Muster können komplex sein und selbst ein erfahrener Origami-Künstler braucht Stunden, um sie zu formen. Aber dank unseres speziellen Verfahrens können Sie heißes Wasser über diese flachen Laken gießen und zusehen, wie sie in Sekundenschnelle komplexe 3D-Formen annehmen.“

Die Forscher zeigten sich begeistert vom erheblichen Potenzial der einzigartigen Technik für verschiedene Anwendungen. Davon dürfte die Modebranche profitieren, da sie häufig mit Materialverschwendung zu kämpfen hat, insbesondere im Zusammenhang mit maßgeschneiderten Designs. Die Fähigkeit der Technologie, 4D-gedruckte Artikel zu transportieren, während sie flach bleiben, bietet eine attraktive Lösung zur Bewältigung von Logistik- und Lagerhindernissen und macht sie zu einer pragmatischen Option für Notfallwiederherstellungsbedingungen. Wichtige Gegenstände wie medizinische Geräte können als flache Formen gedruckt und vor Ort in voll funktionsfähige 3D-Objekte umgewandelt werden.

Den Forschern zufolge wird der 4D-Druckprozess derzeit kontinuierlich erforscht und weiterentwickelt, was Einblicke in eine potenzielle Zukunft bietet, in der eine schnelle und abfallfreie Fertigung Realität werden könnte. Die Forscher gaben an, dass sie die praktische Umsetzung und die Auswirkungen auf verschiedene Branchen „sehnsüchtig erwarten“.

4D-Druck: Die nächste Grenze in der 3D-Fertigung

Forschern der Tianjin-Universität aus China ist es gelungen, einen selbstfahrenden Soft-Roboter, der sich unabhängig bewegen kann, in 4D zu drucken. Der aus einem Flüssigkristall-Elastomermaterial gefertigte Roboter verfügte über eine röhrenartige Struktur, die sich bei Hitzeeinwirkung selbst zusammensetzte. Durch geschickt programmierte Faltmuster erzeugten die Forscher eine Spannung im Körper des Roboters, die es ihm ermöglichte, ähnlich wie ein Baumstamm zu rollen. Bemerkenswert ist, dass dieser 4D-gedruckte Soft-Roboter überragende Fähigkeiten zeigte, darunter das Überqueren flacher Flächen, das Erklimmen einer 20°-Steigung und das erfolgreiche Tragen einer Last, die bis zum 40-fachen seiner eigenen Masse beträgt.

Forscher der Universität Stuttgart und der Universität Freiburg haben eine neuartige Methode zum 4D-Druck tragbarer medizinischer Geräte entwickelt, die sich selbst an die Anatomie des Patienten anpassen können. Inspiriert durch den Ausbreitungsmechanismus der Luftkartoffelpflanze (Dioscorea Bulbifera) wurden die gedruckten Systeme vorprogrammiert, um komplexe Bewegungen auszuführen, wenn sie Feuchtigkeit ausgesetzt werden. Das Team nutzte den Ansatz erfolgreich zum 4D-Druck einer selbstspannenden orthopädischen Handgelenkschiene, die sich von selbst um den Arm des Patienten wickelte.

Wie sieht die Zukunft des 3D-Drucks in den nächsten zehn Jahren aus?

Welche technischen Herausforderungen müssen im kommenden Jahrzehnt im Bereich der additiven Fertigung bewältigt werden?

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Das abgebildete Bild zeigt 2D-Ebenen für 4D-Designs. Obwohl die bedruckten Origami-Blätter im Wesentlichen flach sind, kombinieren sie viele Schichten verschiedener Tinten auf und unter dem zentralen Schrumpffolienmaterial. Eine Grundierung sorgt dafür, dass die Tinte auch im nassen Zustand am Blatt haftet. Die schwarze Tinte verhindert das Schrumpfen und ermöglicht so die Bildung von Falten. Eine weiße Ebene bietet eine leere Leinwand für eine Farbebene. Und eine abschließende klare Schicht schützt alle darunter liegenden Personen. Bild über Koya Narumi.

Mit einem Hintergrund im Journalismus hat Ada ein großes Interesse an Grenztechnologien und deren Anwendung in der ganzen Welt. Ada berichtet über Aspekte des 3D-Drucks, die von der Luft- und Raumfahrt über die Automobilindustrie bis hin zu Medizin und Zahnmedizin reichen.