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3-D-Druck: mit Smart Materials in die 4. Dimension

Dank des 3-D-Drucks muss sich das Design nicht mehr nach der Produktion richten. Bauteile können rein funktionsoptimiert konstruiert werden. Vollkommen neue Perspektiven für die Funktionalität eröffnet derzeit die Forschung durch den Einsatz smarter Werkstoffe im 3-D-Druck.

19.01.2017
4-D-Druck

Die Kombination von intelligenten Werkstoffen und 3-D-Druck lässt in der Forschung an ganz neue Möglichkeiten in den verschiedensten Branchen denken. Mittlerweile können zum Beispiel im Labor mittels 3-D-Druck Objekte hergestellt werden, die bei bestimmten Umweltweinflüssen ihre Form verändern oder Werkstücke, die sich selbst heilen. Selbst die Herstellung von Bauteilen aus klassischen Verbundwerkstoffen wie CFK wird durch neue, intelligente Druckverfahren möglich.

"Transformers" aus dem 4-D-Druck: Roboter, die sich selbst zusammensetzen

Die Anwendungsmöglichkeiten für die Additive Fertigung mit intelligenten Werkstoffen sind äußerst vielfältig. Durch die Forschung des Selfassembly Lab des Massachusetts Institute of Technology (MIT) etwa werden beispielsweise Wasserrohre denkbar, die sich selbst entfalten oder je nach Wasserdruck ihren Durchmesser ändern – ganz ohne Sensoren, Aktoren, Software oder Rechenleistung, einfach durch das Design ihrer physikalischen Eigenschaften.

Noch fantastischer sind die Möglichkeiten in der Robotik, wo bereits über Maschinen nachgedacht wird, die sich selbst zusammensetzen . Von unschätzbarem Wert etwa für die Produktion von Bergungs- oder Forschungsrobotern, die in "zusammengefalteter" Form an unzugängliche Orte gebracht werden können, um sich dort selbständig zu ihrer funktionsfähigen Form zu "entfalten".

Möglich werden diese Visionen durch ein bestimmtes Verfahren: den 4-D-Druck . Mit dieser Methode können sich selbst¬ständig verformende Objekte mit einem 3-D-Drucker gefertigt werden. Forscher der Harvard University in Cambridge zum Beispiel haben vor kurzem mit diesem Verfahren eine Blüte gedruckt, die sich in Kontakt mit Wasser selbständig entfaltet . Dies gelang mit einem Hydrogel, in dem Zellulosefasern, winzige Tonpartikel und Kunststoff-Monomere miteinander vermischt waren. Aber nicht nur der Kontakt mit Wasser kann Auslöser für die Formveränderung der 4-D-Materialien sein. Wärme, Bewegung und alle anderen Arten von Energie sind als Auslöser für dementsprechend designte Materialien geeignet.

Dank Ultraschall: selbstheilende Materialien und CFK aus dem 3-D-Drucker

Nicht weniger interessant sind selbstheilende Materialien, Kunststoffe etwa, die sich selbst reparieren. Erreicht wird dieser Effekt zum Beispiel durch mit unausgehärteten Polymeren gefüllte Nanoröhren, die sich im Kunststoff befinden. Wird der Kunststoff beschädigt und die Röhren zerbrechen, treten die flüssigen Polymere aus und „heilen“ das Material. In die richtige Position können die Nanoröhren im Kunststoff etwa durch ein Verfahren gebracht werden, welches Forscher der University of Bristol entwickelt haben: das herkömmliche 3-D-Druck-Verfahren in Kombination mit Ultraschallwellen. Durch sie lassen sich Kraftfelder mit bestimmten Mustern im noch flüssigen Kunststoff erzeugen, durch die Nano-Röhren beliebig angeordnet werden können. Und nicht nur Nano-Röhrchen: Das gleiche ist mit Kohlefasern möglich. Auf diese Weise könnten künftig auch klassische Verbundwerkstoffe wie CFK per 3-D-Druck produziert werden, die bisher per Hand hergestellt werden mussten . Ein echter Durchbruch. Und auch wenn die Marktreife dieses Verfahrens noch etwas auf sich warten lassen wird: Die Aussicht auf die zeit- und kostenoptimierte Produktion von Hightech-Verbundmaterialien im 3-D-Druck ist äußerst attraktiv.

Diskutieren Sie über die Innovationen der Generativen Fertigung im 3. Additive Manufacturing Symposium der Digital Factory – am 27. und 28. April 2017 im Convention Center (CC), Saal Heidelberg. Anlagenbauer und Anwender liefern hier einen Überblick über neue Verfahren im 3D- und 4D-Druck. Aussteller mit entsprechenden Lösungen finden sich auf der Digital Factory 2017 in Halle 6, in direkter Nachbarschaft zu namhaften CAD-Anbietern und zum Leichtbau.

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