ETH Zürich Forscher realisieren 4D-Aktuator aus Formgedächtnispolymer

Forscher der ETH Zürich entwickelten mit dem Einsatz von 3D-Drucktechnologien sowie der Verwendung eines Formgedächtnispolymers als temperaturgesteuerte Energiequelle nun einen programmierbaren 4D-Aktuator, welcher sich einfach zusammen – sowie auch auseinanderfalten lässt.

Oft sind zum 3D-Druck benötigte Gegenstände sehr sperrig, was den Transport – beispielsweise ins Weltall – zu einer schwierigen Aufgabe macht. Eine häufige Lösung für dieses Problem ist es die benötigten Artikel mit einer vierten Dimension 3D zu drucken. Dies bedeutet, dass die Objekte so hergestellt werden, dass sich diese zu kleinen sowie kompakten Paketen zusammenfalten lassen und in weiterer Folge durch Stimulierungen wie Licht oder Temperaturänderungen entfalten oder expandieren. Um diesen Zustand zu erreichen, werden die Objekte aus einem Formgedächtnispolymer 3D-gedruckt, welches in weiterer Folge darauf “programmiert” wird sich in diversen Umgebungen auszubreiten.

Doch selbst bei diesem Verfahren kommt es gelegentlich zu Problemen. Beispielsweise können die Energiequellen selbst sperrig, der Einsatz ungenau sein, Komponenten können blockieren oder auch kann die strukturelle Integrität der Objekte fehlen.

Diesen Problemen wollten Professor Kristina Shea und Doktorand Tian Chen von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH Zürich) auf den Grund gehen. Bereits vor wenigen Wochen erlangte Professor Kristina Shea durch ihr vollständig 3D-gedrucktes Miniatur U-Boot, welches ohne Strom und Motor schwimmt, einige Aufmerksamkeit. Nun veröffentlichte die Forscherin in Zusammenarbeit mit Doktorand Tian Chen eine Studie unter dem Titel “Ein autonomer programmierbarer Aktuator und formumstellbare Strukturen unter Verwendung von Bistabilitäts- und Formgedächtnispolymeren”.

Im Rahmen dieser Studie entwickelte das Forscher-Team mit dem Einsatz von 3D-Drucktechnologien einen programmierbaren Aktuator, welcher sich autonom entfalten kann sowie dessen Form verändert. Hierfür werden Temperaturänderung als Katalysator genutzt.

“Durch die Verwendung eines Formgedächtnispolymers als temperaturgesteuerte Energiequelle und eines bistabilen Mechanismus als linearer Aktuator und Kraftverstärker erreichen die Strukturen eine präzise geometrische Aktivierung und quantifizierbare Belastbarkeit”, erklären die Forscher. “Der vorgeschlagene Einheitsaktuator integriert diese zwei Komponenten und ist so konstruiert, dass er zu größeren einsetzbaren und in der Form rekonfigurierbaren Strukturen zusammengebaut werden kann.”

Um diese komplexen 3D-Objekte durch selektives Abscheiden von photoreaktiven, flüssigen Harzen unterschiedlicher Steifigkeit und Glasübergangstemperaturen herzustellen, kam Multimaterial-Inkjet-3D-Drucktechnologie zum Einsatz. Die gedruckten Objekte wurden so programmiert, dass jedes Formgedächtnispolymer eine unterschiedliche Aktivierungszeit hat. So wollten die Forscher eine mehrstufige Struktur erreichen.

Getestet wurde dieses Vorhaben bereits anhand einer Pyramide, welche als flaches Objekt 3D-gedruckt wurde und sich in weiterer Folge schrittweise zur End-Form aktivierte. Ebenso stellten die Forscher eine hyperbolische Paraboloidform mit dem selben Effekt her. Beide dieser Objekte wiesen Belastbarkeit bei Aktivierung und Betrieb auf.

“Durch die Kombination dieses Polymers mit einem bistabilen Mechanismus, genannt von Mises-Truss, können wir zwei verschiedene Gleichgewichtszustände definieren, die genau erreicht werden können”, erklären die Forscher. “Bistas-Mechanismen vom Von-Mises-Typ wurden früher in aktiven Masten zur Energieabsorption und in jüngerer Zeit zur Erzeugung von 3D-gedruckten rekonfigurierbaren Strukturen verwendet.”

Um die Objekte zu realisieren nutzte die Forscherin einen Stratasys Objet3 Connex500 Multimaterial 3D-Drucker. Als Materialien kamen das Formgedächtnispolymer FLX9895, der temperaturbeständige, starre Kunststoff RGD525 sowie Agilus30, ein elastomerartiges Material, zum Einsatz. Getestet wurden die fertig 3D-gedruckten Objekte schließlich in erwärmtem Wasser.

“Der Einsatz des Unit-Aktuator-Verfahrens besteht aus zwei Phasen; Die erste Phase ist die Programmierung und Montage der SMS mit dem bistabilen Mechanismus “, erklären die Forscher. “Die zweite ist die eingeschränkte Wiederherstellung des SMS und folglich die Aktivierung des Einheitsaktuators. In der Programmierphase wird das SMS erwärmt und entweder gestreckt oder um eine Strecke komprimiert, die der Hublänge des bistabilen Mechanismus entspricht (Abb. 2b, c). Während sie begrenzt ist, wird die SMS gekühlt und in den bistabilen Mechanismus eingebaut (Fig. 2d). Die zweite Phase wird ausgelöst, indem die Temperatur des Einheitsaktuators nach oben erhöht wird (Abb. 2e). Wenn die SMS wiederhergestellt wird, löst sie den bistabilen Mechanismus aus und erreicht den implementierten Zustand. Nach dem Abkühlen verhält sich dieser aktivierte Zustand wie eine starre Struktur, wenn die SMS in ihren glasigen Zustand zurückkehrt.”