UK Forschungskooperation entdeckt 4D-Druckpotential von Zellulose

Eine neue Studie, die im Journal Materials & Design veröffentlicht wurde, wendet natürliche Materialien auf den 4D-Druck für wirklich bioinspirierte Objekte an. Bei dieser Entwicklung erstellt ein Team der Universität Bristol und der University of Bath eine 3D-gedruckte Tinte, die Zellulosefasern als Reaktion auf Wasser verarbeitet. Die Forschung basiert auf dem natürlichen Verhalten von Tannenzapfen und schafft neue Grundlagen für die zukünftige Entwicklung von intelligenteren, selbstorganisierenden Materialien.

Als eine der nächsten Entwicklungsstufen des 3D-Drucks hat sich der Begriff 4D-Druck in den letzten Jahren immer mehr durchgesetzt und sich in Gartners Hype-Zyklus für 3D-Druck im Jahr 2018 sogar zu einer Position “On the Rise” entwickelt.

Vereinfacht ausgedrückt bezieht sich 4D-Drucken auf einen Prozess, bei dem ein Objekt 3D-gedruckt wird, um Formgedächtniselemente zu enthalten. Wenn ein Reiz auf ein solches Objekt angewendet wird, ist es dann in der Lage, sich in eine neue Form zu verwandeln und danach oft in seinen ursprünglichen Zustand zurückzukehren. Ein Beispiel, wie es in anderen 4D-Druckstudien verwendet wird, ist das 3D-Drucken eines flachen Netzes von Blütenblättern, die, wenn sie erhitzt oder zu Wasser hinzugefügt werden, sich zu einer Knospe schließen.

(a) 3D-Drucker und Pastenextruder eingerichtet; Das Extrudergehäuse ist im Einsatz mit der Düse zum Drucken von Gel und Verbundmaterialien gezeigt. (b-g) Herstellung der Blütenblattarchitektur (b) Generierter Druckpfad vom CAD-Modell – Abmessungen in mm (c) 3D-gedruckte Form (d) Trocknen bei Raumtemperatur Beginn der Verwandlung (e) Nach dem Vernetzen, um die 3D-Form zu maximieren und zu fixieren (f) Bei Hydratation in flache Konfiguration gebracht. (g) Trocknen (Dehydratation) stellt die 3D-Blütenblattform wieder her. (Maßstabsbalken = 10mm).

Viele 4D-Druckexperimente basieren auf abstimmbaren Spannungen in einem 3D-gedruckten Objekt zur Transformation. In Bristol/Baths Fall ist es jedoch die genaue Materialzusammensetzung, die es erlaubt die 3D-gedruckten Objekte zu transformieren.

Zellulose, das am häufigsten vorkommende organische Polymer auf der Erde, ist sehr saugfähig. Wie im Diagramm unten dargestellt, sind Zellulosefibrillen innerhalb der Zellwände eines Kiefernzapfens für seine Fähigkeit verantwortlich, sich zu schließen, wenn sie mit Wasser in Kontakt kommen.

Diese Eigenschaft wird vom Team synthetisch in einer Tinte nachgeahmt, die ein basisches Hydrogel mit Zellulosepulpe und Tonpartikeln für erhöhte Absorption und Düsenströmung kombiniert.

Durch die Herstellung einer cellulosischen Tinte, die sich erfolgreich hydratisiert oder dehydriert, haben die Forscher in Bath und Bristol neue Wege zur Erforschung der Programmierbarkeit von Materialien eröffnet.

Abschließend geben die Autoren ihre Ziele an; “Die Demonstration einer nachhaltigen und kosteneffektiven Tinte, die mit kommerziellen 3D-Druckern verwendet werden kann, dürfte die Verbreitung des 4D-Drucks fördern”, “Dies sollte unser Verständnis der grundlegenden Designprinzipien beschleunigen, indem wir den 4D-Druck für eine größere Anzahl von Forschern zugänglicher und attraktiver machen.”