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

 

Innovationen der Hochschule Offenburg überzeugen beim ersten Upper Rhine Futur Festival

Gäste verfolgen Vorträge zur Künstlichen Intelligenz und bestaunen Energieeffizienzfahrzeug sowie 3-D-Druck in der Lehre-Konzept.

Menschen stehen um ein Rennwagen herum
© Hochschule Offenburg

Der Schluckspecht war meist dicht umlagert.

Menschen unterhalten sich an einem Tisch mit einem 3-D-Drucker
© Hochschule Offenburg

Am Stand der Forschungsgruppe 4-D-Printing entstand ein reger Austausch.

Das erste Upper Rhine Futur Festival verwandelte Straßburg vom 5. bis 7. November in ein lebendiges Innovationslabor. Auf Einladung von Alsace Tech, dem Netzwerk der 14 elsässischen Grandes Ecoles, und TriRhenaTech, dem trinationalen Verbund von Hochschulen in Deutschland, der Schweiz und Frankreich, präsentierten die Mitgliedshochschulen beider Netzwerke bei verschiedenen Veranstaltungen Technologien, Prototypen und Lösungen, die den Oberrhein von morgen gestalten werden.

Den Auftakt machte am 5. und 6. November das URAI-Symposium, die führende wissenschaftliche Konferenz rund um das Thema Künstliche Intelligenz. In der ersten Session „KI für medizinische Anwendungen“ sprachen Prof. Dr. Markus Schinle, Studiendekan des Studiengangs Gesundheitsmanagement und Digital Health an der Hochschule Offenburg, und Sophie Perret, Doktorandin der Universität in Cambridge, über ihre explorative Umfrage zum Thema „Sensibilisierung und Schulung von Anbietern zu Digitalisierung und künstlicher Intelligenz im deutschen Gesundheitswesen“. In der zweiten Session „KI für industrielle Anwendungen“ stellten Prof.in Dr. Simone Braun und ihre ehemalige Wirtschaftsinformatik-Masterandin Miriam Velasco Martínez ein „dialogbasiertes Multi-Agenten-System für kontextbezogene Finanzanalysen in KMU“ vor, das Ergebnis der Abschlussarbeit von Velasco Martínez. Der ehemalige Applied Research-Masterand Richard Pufe sprach über seine Thesis, die „Optimierung der Entscheidungsparameter humanoider Roboter mithilfe von Deep Reinforcement Learning“. Und Prof. Dr. Rainer Gasper, Mitarbeiter Michael Quarti und ein Studierendenteam steuerten den Beitrag „Auf dem Weg zum DQN-Verstärkungslernen für das Energiemanagement beim bidirektionalen Laden von Elektrofahrzeugen“ bei.

Es folgte am 6. November UR Inspiration mit Vorträgen zu den Themen „Europa: ein Traum der Babyboomer“ sowie „Weniger Grenzen, mehr Neuronen“ sowie Networking. Am Abend gab es die UR Party, eine grenzüberschreitende Studierenden-Fete mit drei über einen Online-Wettbewerb im TriRhenaTech-Netzwerk ausgewählten DJs und heißen Elektrobeats.

Den Abschluss bildete am 6. und 7. November die Ausstellung UR Experience, die 40 Innovationen, darunter auch zwei der Hochschule Offenburg, in einem immersiven und interaktiven Raum live erlebbar machte. Zum einen war das Team Schluckspecht von Prof. Claus Fleig mit seinem Prototype S6 dabei und stellte per Video dessen Nachfolger S8 vor, an dem gerade gearbeitet wird. Zum anderen präsentierte die Forschungsgruppe 4-D-Printing von Prof. Dr. Stefan Junk ihr Konzept von 3-D-Druck in der Lehre und zeigte in den vergangenen Semestern im Additive Manufacturing Workshop im Prozess des Rapid Prototypings entstandene Modelle wie OpenRC F1 Autos, Drohnen, Windräder, Spritzgussformeinsätze oder einen bionischen Muskel. Die begeisterten Besucherinnen und Besucher nutzen die Gelegenheit zum Entdecken, Testen und Austauschen mit denen, die die Zukunft gestalten.