4D-bedruckte Materialien können steif wie Holz oder weich wie ein Schwamm sein

Die Ingenieure der Rutgers University in New Brunswick haben flexible und leichte Materialien mit 4D-Druck entwickelt, die zu einer besseren Stoßdämpfung führen können. Drohenflügel und Flugzeugflügel oder soft Robotik und kleine implantierbare biomedizinische Geräte die sich verändern können. Ihre Forschung wird in der Zeitschrift Materials Horizons veröffentlicht.

Der 3D-Druck verwandelt digitale Blaupausen in physische Objekte, indem sie Schicht für Schicht erstellt werden. 4D-Druck basiert auf dieser Technologie, mit einem großen Unterschied: Sie verwendet spezielle Materialien und ausgeklügelte Designs, um Objekte zu drucken, die ihre Form unter Umgebungsbedingungen ändern, beispielsweise durch die Temperatur, die als Auslöser fungiert, sagte der leitende Autor Howon Lee, Assistenzprofessor in der Abteilung für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik. Zeit ist die vierte Dimension, mit der sie sich in eine neue Form verwandeln können.

“Wir glauben, dass dieses beispiellose Zusammenspiel von Materialwissenschaft, Mechanik und 3D-Druck einen neuen Weg zu einer breiten Palette spannender Anwendungen schaffen wird, die Technologie, Gesundheit, Sicherheit und Lebensqualität verbessern werden”, sagte Lee.

Die Ingenieure entwickelten eine neue Klasse von “Metamaterialien” – Materialien, die ungewöhnliche und nicht eingängige Eigenschaften aufweisen, die in der Natur nicht zu finden sind. Das Wort Metamaterialien leitet sich vom griechischen Wort “Meta” ab, was “höher” oder “darüber hinaus” bedeutet.

Bisher waren Form und Eigenschaften von Metamaterialien nach ihrer Herstellung nicht mehr rückgängig zu machen. Die Rutgers-Ingenieure können ihre kunststoffähnlichen Materialien jedoch mit Wärme abstimmen, sodass sie beim Schlagen starr bleiben oder weich werden, um Stöße zu absorbieren.

Die Steifigkeit kann bei Temperaturen zwischen Raumtemperatur (22 Grad) und 90 Grad Celsius um mehr als das 100fache eingestellt werden, wodurch eine gute Kontrolle der Stoßdämpfung ermöglicht wird. Die Materialien können für eine Vielzahl von Zwecken umgeformt werden. Sie können vorübergehend in eine beliebige verformte Form gebracht werden und dann bei Erwärmung auf ihre ursprüngliche Form zurückkehren.

Dies zeigt, wie mit 4D gedruckte intelligente Materialien von steif zu weich werden können und auch ihre Form verändern können.

Die Materialien könnten in Flugzeug- oder Drohnenflügeln verwendet werden, die ihre Form ändern, um die Leistung zu verbessern, und in leichten Strukturen, die für den Weltraumstart kollabiert und im Weltraum für eine größere Struktur, beispielsweise ein Solarpanel, reformiert werden.

Soft Robotics aus weichen, flexiblen und gummiartigen Materialien, die vom Kraken inspiriert sind, können eine variable Flexibilität oder Steifigkeit aufweisen, die auf die Umgebung und die Aufgabenstellung zugeschnitten ist. Winzige Geräte, die zur Diagnose oder Behandlung in Menschen eingesetzt oder implantiert werden, könnten für ein minimalinvasives und weniger schmerzhaftes Einführen in den Körper vorübergehend weich und flexibel gemacht werden, sagte Lee.