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Ein neues selbstanpassendes Verfahren basierend auf 3D-Druck

Forscher der Universitäten Freiburg und Stuttgart haben ein neues Verfahren entwickelt, das aus einem handelsüblichen 3D-Drucker ein mobiles, sich selbst anpassendes Materialsystem herstellt.

Diese Systeme können unter dem Einfluss von Feuchtigkeit vorprogrammiert komplexe Formänderungen, Schrumpfungen und Dehnungen erfahren. Wissenschaftler simulierten die Entwicklung von Kletterpflanzen namens Luftkartoffeln (Dioscoreabulifera) aufgrund ihres Bewegungsmechanismus.

Ein neues selbstanpassendes Verfahren basierend auf 3D-Druck

Mit ihrer neuen Methode fertigte das Team den ersten Prototypen: eine dem Träger angepasste Unterarmorthese, die für medizinische Anwendungen weiterentwickelt werden kann. Dieses Verfahren wurde in Zusammenarbeit mit Tiffany Cheng und dem Professor entwickelt.

Achim Menges vom Institute for Computational Design and Construction (ICD) und dem Integrated Computational Design and Construction (IntCDC) der Universität Stuttgart und Professor Thomas Speck von der Plant Biomechanics Group and Life, Adaptive der Universität Freiburg und Energy Autonomous Exzellenzcluster Materialsystem (livMatS).

Forscher präsentieren ihre Ergebnisse in Fachzeitschriften.

4D-Druck definiert Formänderungen

Der 3D-Druck hat sich zu einem weit verbreiteten Herstellungsverfahren entwickelt. Es kann sogar verwendet werden, um intelligente Materialien und Materialsysteme herzustellen, die nach dem Drucken in Bewegung bleiben und automatisch ihre Form durch äußere Reize (wie Licht, Temperatur oder Feuchtigkeit) ändern. Dieser sogenannte „4D-Druck“ kann durch Stimulation eine vorgegebene Formänderung auslösen, was die Einsatzmöglichkeiten des Materialsystems stark erweitert.

Diese Formänderungen werden durch die chemische Zusammensetzung von Materialien erreicht, die aus reizempfindlichen Polymeren bestehen. Allerdings sind die Drucker und Grundmaterialien zur Herstellung solcher Materialsysteme meist hochspezialisiert, individuell und teuer – bis jetzt.

Mit Standard-3D-Druckern ist es nun möglich, Materialsysteme herzustellen, die auf Feuchtigkeitsänderungen reagieren. Aufgrund ihrer Struktur können diese Materialsysteme systemweit oder nur in einem einzelnen Bauteil ihre Form verändern. Forscher der Universität Freiburg und der Universität Stuttgart haben mehrere Dehnungs- und Stabilisierungsschichten kombiniert, um einen komplexen Bewegungsmechanismus zu erreichen: eine gewundene Struktur, die eine „Tasche“ als Druckhalter streckt, um sie zu straffen. Wenn die „Tasche“ losgelassen wird, kann sie sich von selbst wieder entspannen und die gewickelte Struktur kehrt in den geöffneten Zustand zurück.

Natürlicher Bewegungsmechanismus übertragen auf technisches Materialsystem

Für dieses neue Verfahren nutzten die Wissenschaftler einen Mechanismus aus der Natur: Die Luftkartoffel klettert auf den Baum, indem sie Druck auf den Stamm der Wirtspflanze ausübt. Dazu werden die Pflanzen zunächst locker um den Stamm gewickelt. Dann wachsen „Nebenblätter“, das sind die Basiswucherungen der Blätter, die den Raum zwischen dem verschlungenen Stängel und der Wirtspflanze vergrößern. Dadurch entsteht Spannung in den Wickelstängeln der Luftkartoffel. Um diese Mechanismen nachzuahmen, konstruierten die Forscher ein modulares Materialsystem, indem sie seine Schichten so konstruierten, dass es sich in verschiedene Richtungen und unterschiedlich stark biegen kann, wodurch es sich kräuselt und eine spiralförmige Struktur bildet. Durch die „Taschen“ an der Oberfläche wird die Spirale nach außen gedrückt und gespannt, wodurch das gesamte Materialsystem schrumpft.

Bisher beschränkt sich unser Verfahren noch auf bestehende Grundstoffe, die auf Feuchtigkeit reagieren. In Zukunft werden im 3D-Druck billige Materialien verwendet, die auf andere Reize reagieren können und in unserem Prozess verwendet werden können. “

Exzellenzcluster Living, Adaptability and Energy Autonomous Material System (livMatS)

Forschende des Exzellenzclusters Life, Adaptability and Energy Autonomous Material Systems (livMatS) der Universität Freiburg entwickeln lebensechte, von der Natur inspirierte Materialsysteme. Sie können sich ebenso wie Lebensstrukturen selbstständig an verschiedene Umweltfaktoren anpassen, saubere Energie aus der Umwelt gewinnen, werden nicht beschädigt oder können sich selbst reparieren.

Dennoch werden diese Materialsysteme rein technische Objekte sein, sodass sie mit synthetischen Methoden hergestellt und unter extremen Bedingungen eingesetzt werden können. Thomas Speck ist Mitglied des herausragenden Clustersprecherteams.

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