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.

Die direkte Programmierung eines Stent ähnlichen Prototyps für den biomedizinischen Anwendungsbereich ist im folgenden Video dargestellt. Als Basis dient eine ebene Gitterstruktur aus dem 3D-Drucker, die mit wasserlöslichem PVA besetzt ist, um die einzelnen Hohlräume in der Gitterstruktur zu gewährleisten. Dabei ist das Besondere, dass die gewünschte Formänderung bereits während des Druckprozesses im 3D-Druck Bauteil eingeprägt wird und keine nachträgliche Programmierung erforderlich ist. Anschließend wird diese Gitterstruktur in einem ersten Wasserbad (T1) erwärmt und im Anschluss thermomechanisch zu einem Hohlzylinder vorgeformt. Im Folgenden verformt sich das Gitter unter Wärmeeinwirkung in einem weiteren Wasserbad (T2>T1), wobei der Außendurchmesser des Hohlzylinders zunimmt.

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.

SoSe25: Workshop Additive Manufacturing für Studierende zum Thema 4D Printing von Soft Robots - Entwicklung, Design und Herstellung eines Soft Robots in Form eines bionischen Muskels

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

News

 

Best Young Researcher Award der ProDPM´25 für Daniel Kehret

Daniel Kehret erhielt auf der ProDPM'25 eine Auszeichnung für seine Forschung zu Multi-Material 4D-Printing.

Preosverleihung
© Daniel Kehret

Daniel Kehret wurde auf der internationalen Konferenz Progress in Digital and Physical Manufacturing (ProDPM'25, 01.-03.10.2025) in Portugal mit dem Best Young Researcher Award ausgezeichnet. Die Konferenz ProDPM´25 wurde von der Politécnico de Leiria in Portugal ausgerichtet. Im Fokus stehen die Themen Advanced Manufacturing Technologies, Digital Manufacturing and Simulation Systems, Design and Green Manufacturing, CAD and 3D Data Acquisition Technologies, Materials und Applications, vorgetragen in Keynotes aus Wissenschaft und Industrie sowie in diversen Konferenzbeiträgen vor internationalem Publikum.

Unter Beurteilung der Kriterien Relevanz der Forschung, Qualität des Vortrages und Beantwortung der Fragen wurde die Auszeichnung feierlich an Daniel Kehret bei der Abschlussfeier am 03.10. verliehen.

In seiner Promotion beschäftigt er sich mit der additiven Fertigung magnetresponsiver Werkstoffe zur Erzeugung funktionaler Strukturen, dem sogenannten 4D-Printing. In seinem Beitrag zur Konferenz „Multi-Material 4D-printing of a force-generating magnetoresponsive bionic muscle for adaptive soft robotics” befasst er sich mit der noch wenig berücksichtigten Kraftentfaltung von magnetresponsiven soft robots, die im 4D-Printing entstehen. Sein Wirkungsort ist das Labor Rapid Prototyping unter der Leitung von Prof. Dr. Stefan Junk (HSO), der auch seine Promotion betreut. Zusätzlich betreut das Promotionsvorhaben Prof. Dr. Bastian Rapp vom Institut für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg.

Weitere Details zum prämierten Beitrag werden in Lecture Notes on Multidisciplinary Industrial Engineering von Springer Nature veröffentlicht. Darüber hinaus sind Fachbeiträge von Daniel Kehret in Advanced Manufacturing Technology von Springer sowie in Materials & Design (im Druck) von Elsevier zu finden. Nähere Informationen dazu siehe Forschungsgruppe 4D-Printing.

Neben der maßgeschneiderten Auslegung von magnetresponsiven bionischen Muskeln unter Berücksichtigung von nicht-linearen Kraftverläufen, stellen auch Fragen der Reversibilität der Aktuation die Wissenschaft vor zukünftige Herausforderungen. Für die Untersuchung dieser Themen hat ein Team aus Prof. Dr.-Ing. Stefan Junk, Prof. Dr.-Ing. Thomas Seifert und Daniel Kehret erfolgreich einen DFG-Antrag gestellt.