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Neue 4D-Drucktechnologie kann die Form auf eine vordefinierte Weise ändern, bis zu 63 %

Ein Forscherteam des Fraunhofer CPM hat seine Vorteile durch den Einsatz des sogenannten 4D-Drucks zur Herstellung gedruckter Objekte deutlich erweitert. Die neu entwickelte 4D-Drucktechnologie ermöglicht es dem gedruckten Polymer, beim Erhitzen seine Form in vordefinierter Weise zu ändern.

Teile mit spezifischen Verhaltensmerkmalen

Der Grad der Formänderung gedruckter Objekte ist enorm: Sie können um bis zu 63 % reduziert werden. Zukünftig können mit der 4D-Fertigungstechnologie Teile hergestellt werden, die erst nach Übernahme vordefinierter Formen ein bestimmtes Verhalten zeigen, wie z Verschlusss in der Montage von Komponenten in der Medizintechnik, dem Maschinenbau, der Automobil- und der Luft- und Raumfahrtindustrie.

Diese Technologie fügt der Raumdimension oder 1D-Dimension die Zeitdimension oder 3D-Dimension hinzu. Auf diese Weise lassen sich Objekte mit Formgedächtnispolymeren bedrucken, die bei Hitzeeinwirkung zu einem späteren Zeitpunkt ihre Form verändern können – und das auf ganz bemerkenswerte Weise: ein stabförmiges Muster mit einer Länge von ca. 4 cm Schrumpft als bis zu 63 %. Es ist auch möglich, gezielt Krümmungen vorzunehmen.

Neue 4D-Drucktechnologie kann die Form auf eine vordefinierte Weise ändern, bis zu 63 %

„Wir haben mit relativ einfachen Stabgeometrien angefangen, aber am Ende konnten wir komplexere Hohlzylinder und hohle Quaderformen herstellen“, sagt Dr. Thorsten Pretsch vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymere IAP, Koordinator des Projekts Fraunhofer CPM . „Für alle von uns untersuchten geometrischen Formen haben wir das erforderliche Materialverhalten vorab festgelegt.“

Zwei Möglichkeiten, auf Temperaturanstieg zu reagieren

Es gibt im Allgemeinen zwei Möglichkeiten, die Reaktion auf Temperaturerhöhungen anzupassen. Die erste ist die Materialwahl – hier entwickelten die Forscher einen neuartigen thermoplastischen Polyurethan- oder TPU-Typ mit Formgedächtniseigenschaften. Das Team zeigte auch, dass sich die Erkenntnisse des 4D-Drucks auch auf ein anderes thermoplastisches Polymer übertragen lassen: Sie stellten schrumpffähige Druckobjekte aus dem biobasierten Polymer Polymilchsäure oder PLA her.

Die zweite Möglichkeit liegt in der cleveren Steuerung des Druckprozesses. „Entscheidend ist, dass wir dem Material während des Druckprozesses kaum Zeit zum Abkühlen lassen. Dadurch werden starke Eigenspannungen im Material gespeichert. Der anschließende Schrumpfeffekt ist sehr deutlich“, sagt Prech. Kurz gesagt, durch Materialauswahl, Verarbeitungstemperatur und Druckgeschwindigkeit kann nicht nur das Schrumpfverhalten, sondern auch der Biegezustand eingestellt werden.

Der erste Schritt des Projekts besteht darin, Materialien zu entwickeln und Forschungsergebnisse von TPU auf PLA zu übertragen. Der zweite Schritt besteht darin, einen Demonstrator zu entwickeln – einen Türöffner, der sich am Türschnalle so dass es mit dem Ellenbogen bedient werden kann, ohne es mit den Händen zu berühren. Die Demontage ist einfach: durch Wiedererhitzen; der türöffner ist rückstandsfrei vom griff getrennt. Wird das zu druckende Objekt nicht mehr benötigt, kann es geschliffen und zu Filamenten weiterverarbeitet werden, die mindestens einmal für den 4D-Druck verwendet werden können. „Das Konzept ist ganzheitlich und zukunftsorientiert. Wir haben den gesamten Produktzyklus durchlaufen – von der Monomerauswahl über die Polymersynthese bis hin zum 4D-Druck des Demonstrators und dessen mechanischem Recycling“, so Pretsch abschließend.

Vier Fraunhofer-Institute steuerten ihre Expertise bei: Das Fraunhofer IAP synthetisierte Formgedächtnispolymere, entwickelte die 4D-Drucktechnologie weiter und führte mechanisches Recycling durch. Linda Weisheit vom Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU hat das Konzept der 4D-materialprogrammierbaren Steifigkeit entwickelt. Zur Auslegung des Demonstrators führte das Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM mathematische Simulationen durch.

„Wir haben zum Beispiel untersucht, wie sich die Kraft bei Belastung des Türöffners verteilt. Außerdem wollten wir herausfinden, welches Design hinsichtlich des Materialverbrauchs besser ist“, erklärt Dr. Heiko Andrä. Der eigentliche Test wurde am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM durchgeführt. „Hier stellt sich beispielsweise die Frage, welches Drehmoment entsteht, wenn der Türöffner belastet wird“, erklärt Dr. Tobias Amann.

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