Die vierte Dimension in der Fertigungstechnik

Kern des Konstruktionsprinzips ist ein von ihnen entwickeltes Hubelement, das einen von zwei m?glichen Zust?nden einnehmen kann: es ist entweder eingezogen oder ausgefahren. Die Forschenden kombinierten solche Elemente zu komplexeren Strukturen. Weil die Einzelelemente nur die beiden definierten Zust?nde einnehmen, k?nnen die Forschenden die stabilen dreidimensionalen Formen der Gesamtstruktur voraussagen. M?glich sind auch Strukturen, die mehrere stabile Formen einnehmen k?nnen. Und weil die Forschenden auch eine Simulationssoftware entwickelten, k?nnen sie Formen und  Kraft, die f¨¹r Form?nderungen aufgewendet werden m¨¹ssen, genau voraussagen. Dies dient ihnen beim Entwurf von Objekten.

Die Wissenschaftler druckten ihre Strukturen mit einem professionellen Multimaterial-3D-Drucker, mit dem sich Objekte aus bis zu vierzig verschiedenen Materialien drucken lassen. Die Objekte der ETH-Wissenschaftler bestehen aus zwei davon: einem starren Polymer, das in den Strukturen den Hauptteil ausmacht, sowie einem elastischen Polymer f¨¹r die Stellen, die beweglich sein m¨¹ssen. All dies drucken die Forschenden in einem Schritt.

Effizient und schnell

?Der 4D-Druck hat mehrere Vorteile?, sagt ETH-Professorin Shea. ?Eine flache Ausgangsform mit starren und beweglichen Abschnitten in einem Schritt zu drucken, ist ?usserst effizient. Viel komplexer und zeitaufwendiger w?re es hingegen, solche Objekte dreidimensional herzustellen oder sie aus mehreren losen Komponenten zusammenzubauen.? Ausserdem k?nnen die flachen Strukturen platzsparend transportiert und erst an ihrem Bestimmungsort entfaltet werden. ?hnliche Ans?tze werden schon seit einiger Zeit in der Raumfahrt verfolgt, beispielsweise um Werkzeuge in einem komprimierten Zustand platzsparend ins All zu transportieren.

Die Raumfahrt ist daher eine von m?glichen Anwendungsgebieten f¨¹r den 4D-Druck. Die Wissenschaftler denken aber auch an die einfache Konstruktion von Strukturen f¨¹r die Geb?udetechnik, etwa Ventilationssysteme oder Systeme zum ?ffnen und Schliessen von Klappen, oder medizinische Anwendungen wie beispielsweise Stents (implantierbare St¨¹tzen f¨¹r K?rpergef?sse).

Derzeit entfalten die Wissenschaftler die Strukturen noch von Hand. Die Forschenden sind aber daran, f¨¹r ihre Elemente Antriebe zu entwickeln, welche die Strukturen temperaturabh?ngig ausfahren. Ebenfalls m?glich w?re es laut den Wissenschaftlern, eine pneumatische Steuerung (mit Druckluft) zu verwenden oder quellende Materialien zu verwenden, welche ihre Form je nach Feuchte ver?ndern.