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Der 4D-Druck ist eine innovative Fertigungstechnologie, die sich aus dem 3D-Druck entwickelt hat und bei der intelligente Materialien und mechanisches Design in den Druckprozess integriert werden. Unter Einwirkung von äußeren Reizen wie Licht, Wärme, elektrischen und magnetischen Feldern können 4D-gedruckte Strukturen im Laufe der Zeit ihre Form oder Funktionalität verändern, was ein enormes Anwendungspotenzial in Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt oder der Biomedizin bietet.
Professor Qi Ge von der Southern University of Science and Technology (SUSTech) und Associate Professor Chao Yuan von der Xi’an Jiaotong University haben kürzlich bedeutende Fortschritte im Bereich des 4D-Drucks von Keramiken erzielt. Ihr Ansatz ermöglicht die direkte Herstellung von 4D-gedruckten Keramiken und eröffnet neue Möglichkeiten für das Design und die Anwendung keramischer Strukturen in verschiedenen Ingenieurdisziplinen.
In ihrer Arbeit, die in „Nature Communications“ veröffentlicht wurde, stellten die Forschenden eine Methode vor, die auf der Dehydration von Hydrogel basiert. Sie entwickelten eine photocurable keramische Elastomersuspension und Acrylsäure-Hydrogelvorstufen für den DLP-Druck. Der gedruckte keramische Elastomerkörper ist hoch dehnbar und kann eine Zugdehnung von bis zu 700 % aushalten. Das Hydrogel dient als Antriebsmaterial und zeigt eine signifikante volumetrische Schrumpfung von 65 % durch Dehydration sowie eine 40-fache Erhöhung des Moduls.
Die Forschenden nutzten die Multimaterial-DLP-3D-Drucktechnologie, um gemusterte Hydrogel-Keramik-Laminate zu erstellen. Diese flachen Laminate entwickeln sich durch die Dehydration des Hydrogels zu komplexen 3D-Strukturen. Nach dem Entbindern und Sintern bei hohen Temperaturen entstehen aus diesen Strukturen reine Keramiken. Die Biegung der Teile reduziert sich nach dem Sintern, was auf die ungleichmäßige Schrumpfung in der Dicke des Laminats während des Sinterns zurückzuführen ist. Die Forscher entwickelten ein theoretisches Modell zur Berechnung der endgültigen Krümmung und erstellten eine Designkarte, die die Beziehung zwischen struktureller Deformation und strukturellen Parametern darstellt.
Durch den Einsatz von Hydrogel-Keramik-Laminaten an verschiedenen Positionen im flachen Muster mittels Multimaterial-DLP-3D-Druck können eine Vielzahl komplexer Formen realisiert werden. Im Vergleich zu formgestütztem Umformen und manueller Faltung ermöglicht der hydrogeldehydratationsgetriebene direkte 4D-Druck eine einfachere und effizientere Herstellung komplexer 3D-Keramikobjekte.
Diese Forschung wurde von der National Natural Science Foundation of China (NSFC), dem Key Talent Recruitment Program der Provinz Guangdong und der Science, Technology and Innovation Commission of Shenzhen Municipality gefördert.
