4D-Printing

Forschungsgruppe "4D-Printing"

Beim 4D-Druck wird den bislang statischen, 3D-gedruckten Bauteilen die Fähigkeit verliehen, sich mit der Zeit in ihrer Form oder Funktion zu verändern. Um dies umzusetzen, sind spezielle Materialien notwendig, die eine solche Veränderung ermöglichen. Im Kern handelt es sich beim 4D-Druck demnach um die Verwendung von intelligenten Materialien bei der additiven Fertigung. Diese intelligenten Materialien werden auch Smart Materials genannt. Als Smart Materials werden alle Materialien bezeichnet, die auf einen äußeren Reiz mit einem nützlichen Effekt reagieren. Demnach lassen sich die Eigenschaften von Smart Materials durch wechselnde Einflüsse aus der Umgebung unmittelbar beeinflussen. Dies kann sowohl die Form, das Volumen, die Farbe, die Spannung oder andere Eigenschaften der Smart Materials betreffen. Aufgrund dieser Eigenschaft ist die Verwendung von Smart Materials die Grundlage für den 4D-Druck.

Zukünftige Einsatzgebiete der Technologie des 4D-Drucks werden im medizinischen Bereich oder im Bereich der Soft Robotics gesehen. Da sich die Technologie derzeit noch in einem sehr frühen Entwicklungsstadium befindet, ist davon auszugehen, dass zukünftig weitere Anwendungsgebiete und Potentiale erschlossen und ersichtlich werden.

Die Forschungsgruppe "4D-Printing" befasst sich aktuell mit experimentellen Untersuchungen und Simulationen zum Thema "4D-Druck". Der Schwerpunkt bei den verwendeten Smart Materials liegt aktuell auf Polymer-Materialien und Polymer-Verbundwerkstoffen mit magnetischen Eigenschaften.

Das folgende Video zeigt den Prozess des 4D-Drucks eines Soft Grippers aus einem magnetresponsiven Werkstoff. Zunächst werden die einzelnen Schritte von der Erstellung der 3D-Zeichnung bis zur Aktuation des gedruckten Körpers bildlich dargestellt und beschrieben. Dann folgen die Videosequenzen, der einzelnen Schritte. Die Aktuation am Ende des Videos geschieht flussdichtenüberwacht, indem dicht unter dem Soft Gripper eine Hall-Sonde platziert wird. Verbunden mit einem Teslameter wird dann die magnetische Flussdichte ausgegeben, die am rechten unteren Bildrand in der Einheit mT eingeblendet wird.

 

Im Video unterhalb ist ein einfaches Positionier- und Greifsystem aus einem Shape-memory polymer (SMP) zu sehen, welches seine Form durch Wärme gezielt verändern kann. In Kombination mit einem Verbundmaterial aus Polylactid und magnetischen Partikeln wird dies verwendet, um die Murmel aus der Flasche zu bergen.

Weitere Informationen

Derzeit liegt der Forschungsschwerpunkt auf magnetischen Polymerverbundwerkstoffen und der magnetisch-mechanischen Simulation. Hier werden Materialien untersucht, getestet und simuliert, die aus einem elastischen Polymer und eingelagerten magnetischen Partikeln, wie zum Beispiel Neodym-Partikeln, bestehen. Um gezielte Bewegungen ausführen zu können, werden zunächst wichtige Anforderungen an das Material identifiziert und experimentell untersucht. Parallel wird mit der Multiphysik-Simulationssoftware COMSOL die Ausführung einer gezielten Bewegung als Reaktion auf ein äußeres Magnetfeld simuliert. Mithilfe der gewonnenen Erkenntnisse sollen gezielte, einfache Bewegungen der Verbundmaterialien zuverlässig realisiert und simuliert werden können.

Bisherige Veröffentlichungen zum Thema "4D-Printing":

  • Kehret, D., Junk, S., Einloth, H., Rapp, B. E.: 4D printing of magnetoresponsive soft gripper and phenomenological approach for required magnetical actuation field. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2024. Springer Link. https://doi.org/10.1007/s00170-024-14605-5
  • Junk, S., Einloth, H., Velten, D.: A Methodical Approach to Product Development in 4D Printing Using Smart Materials. In: H. Almeida et al. Progress in Digital and Physical Manufacturing. ProDPM 2021. Springer Tracts in Additive Manufacturing. Springer, Cham, 2023, https://doi.org/10.1007/978-3-031-33890-8_12
  • Junk, S., Kehret, D., Einloth, H., : Application of Magnetoresponsive Materials in 4D-Printing, Hrsg.: Bernhard Müller: Fraunhofer Direct Digital Manufacturing Conference DDMC 2023 Conference Proceedings, 2023, Berlin, Germany, ISSN: 978-3-8396-1895-0
  • Junk, S., Einloth, H., Velten, D.: 4D Printing: A Methodical Approach to Product Development Using Smart Materials. Machines 11, no. 11: 1035. 2023. https://doi.org/10.3390/machines11111035