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

 

4D-Printing-Forschungsgruppe besucht FormNext 2025 in Frankfurt

Mitte November ging es auf der internationalen Leitmesse der additiven Fertigung um das Kennenlernen neuester technologischer Trends.

Die 4D-Printing Gruppe der Hochschule Offenburg auf der FormNext in Frankfurt. Von links nach rechts: Daniel Kehret, Marvin Henkel, Prof. Dr.-Ing. Stefan Junk, Steffen Schrock
© Hochschule Offenburg

Die 4D-Printing Gruppe der Hochschule Offenburg auf der FormNext in Frankfurt.

Daniel Kehret bestaunt eine große 3D gedruckte Vase aus Metall, die von einem robotergestützten, hybriden Metall 3D Drucker der Firma AMFree gefertigt wurde.
© Hochschule Offenburg

Großformatige und metallgedruckte Vase aus einem robotergestützten, hybriden Metall 3D Drucker der Firma AMFree.

Ein Teil der Forschungsgruppe 4D-Printing der Hochschule Offenburg hat die internationale Leitmesse FormNext in Frankfurt besucht, um sich über die neuesten Entwicklungen in der additiven Fertigung zu informieren und Kontakte zu führenden Unternehmen und Forschungseinrichtungen weltweit zu knüpfen. Die FormNext gilt als wichtigste Messe für additive Fertigung und industrielle Produktionstechnologien und feierte dieses Jahr ihr zehnjähriges Bestehen mit insgesamt 803 Ausstellenden. Für die Forschungsgruppe war der Besuch eine wertvolle Gelegenheit, Einblicke in aktuelle Trends, innovative Werkstoffe und zukünftige Technologien zu gewinnen, die für die eigenen Forschungsarbeiten von Bedeutung sind.

Im Mittelpunkt der Messe standen in diesem Jahr besonders die wirtschaftliche Rolle der additiven Fertigung und deren konkreter Mehrwert für zahlreiche Industriebranchen. Gezeigt wurden besonders praxisnahe Anwendungen, die sich innerhalb der vergangenen Jahre entwickelt haben. Besonders präsent war der Bereich der metallbasierten additiven Fertigung. Auch der Bereich des Pellet 3D-Drucks war in diesem Jahr stärker vertreten. So können eine Vielzahl an Spritzgusswerkstoffen, auch ohne beigefügte Additive, für den 3D Druck, verarbeitet werden. Die zunehmende Industrialisierung, die sich auch über robotergestützte Prozesse auszeichnet, stellte einen Kern der diesjährigen Ausgabe dar.

Der Besuch der Messe FormNext bot zudem eine hervorragende Gelegenheit, sich mit internationalen Partner*innen aus Industrie und Wissenschaft auszutauschen. Darunter fiel auch die Kontaktpflege zu Wissenschaftler*innen aus der portugiesischen 4D-Druck-Branche. Daniel Kehret, der jüngst den Award zum Young Researcher auf der Pro DPM 2025 in Leiria erhalten hatte, konnte hier Wissenschaftskolleg*innen der Politecnico de Leiria wiedertreffen, die er bei der genannten Konferenz kennengelernt hatte.

Neben dem Messebesuch standen Gespräche mit Technologieanbieter*innen, Materialhersteller*innen und wissenschaftlichen Institutionen im Mittelpunkt. Die 4D-Printing-Forschungsgruppe knüpfte Kontakte, die zukünftig Kooperationen oder gemeinsame Projekte im Bereich der Verarbeitung von magnetresponsiven Elastomeren (MRE) ermöglichen könnten. Der Besuch der FormNext 2025 war für die Forschungsgruppe 4D-Printing der Hochschule Offenburg ein wichtiger Schritt, um neue technische Trends frühzeitig zu identifizieren, Wissen zu vertiefen und Networking in der Fachcommunity zu stärken.