Die Universität Stuttgart versucht, die Vorteile von 4D-gedruckten Materialien für die Architektur zu nutzen. Dazu arbeitet die Uni mit einem Holzpavillion, der mit zunehmender Luftfeuchtigkeit seine Lüftungsklappen von selbst schließt.

Die Universität Stuttgart versucht, die Vorteile von 4D-gedruckten Materialien für die Architektur zu nutzen. Dazu arbeitet die Uni mit einem Holzpavillion, der mit zunehmender Luftfeuchtigkeit seine Lüftungsklappen von selbst schließt. - Bild: ICD der Universität Stuttgart

| von Dr. Klaus Wagner

Dreidimensionaler Druck? „Klar, kenn ich“, werden viele sagen. Wenn es aber um vierdimensionalen Druck geht, werden wohl noch die meisten passen: „Nie gehört. Und überhaupt, was hat die Zeit als vierte Dimension hier zu suchen?“

Erfunden in den 80er Jahren, erfolgt die Herstellung eines Produkts mit dem additiven 3D-Verfahren über einen computergesteuerten Druckkopf. Dabei verwendet die Software des Druckers die Daten des dreidimensionalen CAD-Modells des zu druckenden Gegenstandes.

Durch schichtweises Auftragen des für den Druck verwendeten Materials entstehen dabei Schritt für Schritt räumliche aber starre Produkte: Modelle und Prototypen für Forschung und Industrie, Gegenstände für Hobbys aber auch Zahnkronen. Analog dazu erfolgt der 4D-Druck, der 2013 in den USA durch die Forschungen von Skylar Tibbits aus dem 3D-Verfahren hervorgegangen ist und seither zunehmend mehr kreative Köpfe aus Forschung und Entwicklung beschäftigt. Tibbits ist Gründer des Self-Assembly Lab am International Design Center des MIT in Boston.

„Das beim 4D-Druck verwendete smarte Material führt nach der Verarbeitung zu einem Produkt, das nach einem bestimmten Stimulus seine Form vorhersehbar verändert“, sagt Prof. Xun Liu vom Departement of Mechanical Engineering der University of Michigan in Ann Arbor. Bei diesen Stimuli kann es sich beispielsweise um Feuchtigkeit, Temperatur, Berührung oder Strahlung handeln. Voraussetzung für 4D-Produkte sind demnach detaillierte Kenntnisse der Grundlage von Bewegungsprozessen sowie die Entwicklung geeigneter Materialien. Aber auch stimulierte Änderungen in der Zusammensetzung pfiffiger Polymere sind für bestimmte 4D-Anwendungen wichtig.

Bewegungsmechanismen aus dem Pflanzenreich

Im Rahmen des von der Baden-Württemberg Stiftung geförderten multidisziplinären Projekts zur Innovation durch Additive Fertigung 4DmultiMATS (4DmultiMATS steht für Personalisierter 3D- und 4D-Druck von programmier- und schaltbaren sowie selbst­regulierend multifunktionalen Materialsystemen für Sport und Medizin) erforscht Prof. Thomas Speck Bewegungsmechanismen aus dem Pflanzenreich.

Speck ist Leiter der Forschungsgruppe Biomechanik der Pflanzen, Inhaber des Lehrstuhls für Botanik sowie Direktor des Botanischen Gartens der Albert-Ludwigs-Universität in Freiburg. Prof. Rolf Mülhaupt, Leiter des Instituts für Makromolekulare Chemie der Uni Freiburg, koordiniert das Forschungsvorhaben.

„Die den Bewegungen zugrunde liegenden elastischen Deformationen haben den Vorteil, dass dazu keine diskreten Gelenke notwendig sind, die gewartet werden müssen“, erläutert Speck. Weiterhin sind von den Pflanzen abgeleitete Bewegungen für ihren Antrieb unabhängig vom Einsatz elektrischer Energie. Als Modellorganismen für das 4DmultiMATS-Projekt dienen verschiedene krautige Kletterpflanzen wie zum Beispiel Dioscorea bulbifera (Luftkartoffel) und Vertreter der fleischfressenden Fettkräuter (Gattung Pinguicula). Letztere können ihr Blatt an der Stelle einstülpen, an der sich ein Insekt niedergelassen hat, und somit eine Falle bilden.

Grundlage für das passive Kühlsystem der Universität Stuttgart ist ein digitales Modell für die Schuppen von Kiefernzapfen. Kiefernzapfen schließen oder öffnen ihre Schuppen in Abhängigkeit zur Luftfeuchtigkeit. Ist der Fichtenzapfen trocken, sind die Schuppen geöffnet (links), ist der Fichtenzapfen feucht, sind die Schuppen geschlossen.
Grundlage für das passive Kühlsystem der Universität Stuttgart ist ein digitales Modell für die Schuppen von Kiefernzapfen. Kiefernzapfen schließen oder öffnen ihre Schuppen in Abhängigkeit zur Luftfeuchtigkeit. Ist der Fichtenzapfen trocken, sind die Schuppen geöffnet (links), ist der Fichtenzapfen feucht, sind die Schuppen geschlossen. - Bild: ICD der Universität Stuttgart

Um die Erkenntnisse ihrer biophysikalischen Studien als Grundlage zur Herstellung von Gebrauchsgegenständen nutzen zu können, müssen Speck und seine Mitarbeiter die relevanten Pflanzenbestandteile nicht detailgetreu nachbauen. Es genügen Abstraktionen, die als Grundlage für mathematische Modelle dienen. Diese verwenden sie zur Simulation von Antriebsprinzipien und zu kinematischen Berechnungen.

Sowohl die Modelle als auch die Simulationen entstehen innerhalb des Forschungsverbundes durch Zusammenarbeit mit Prof. Achim Menges, Gründer des Institute for Computational Design and Construction ICD der Universität in Stuttgart. „Wenn sich ein Unternehmer findet, könnten durch 4DmultiMATS bis in sechs Jahren Objekte für die Produktion hervorgehen“, so Speck. Dabei seien Massenproduktionen mit Stückzahlen bis zu 10.000 kein Problem.

4D-gedruckte Verbände für die Wundversorgung

Prof. Thorsten Steinberg, Laborleiter Orale Biotechnologie, Department für Zahn-, Mund- und Kieferheilkunde, Universitätsklinikum Freiburg, forscht ebenfalls für das 4DmultiMATS-Projekt. Zusammen mit Mülhaupt gilt sein Interesse der Erforschung von Materialien für die Wundversorgung, zum Beispiel bei Hautverbrennungen oder Wunden mit gestörten Heilungsmechanismen, wie beim Decubitus.

„Komplexe Wunden erfordern komplexe Verbände zur Versorgung“, sagt Steinberg. „Denn ist eine Wunde erst einmal abgedeckt, muss die Heilung autonom ablaufen.“ Der zeitliche Aspekt 4D-gedruckter Verbände bezieht sich hier einerseits auf das abgestimmte Freisetzen von Wirkstoffen aus der Wundauflage. Dieses muss als Reaktion auf definierte, körpereigene Stimuli in der richtigen Dosis und mit der richtigen Kinetik erfolgen. Andererseits spielt die Anpassung des Verbandes an die räumlichen Gegebenheiten der Wunde ebenso eine große Rolle, wie die integrierte Verabreichung von Schmerzmitteln.

„Natürlich werden solche Hightech-Verbände teurer sein als herkömmliche“, sagt Steinberg. Denn die regulierte Freisetzung von Wirkstoffen erfordert nicht nur einen erhöhten Aufwand in Forschung und Entwicklung. Weiterhin ist mit komplexeren Zulassungsverfahren für den Markt der Medizinprodukte zu rechnen. Jedoch lassen sich, durch schnellere Wundheilung und dadurch reduzierten Aufwand für die Nachsorge, Kosten einsparen.

Auch mit der Entwicklung von Prothesen und Protektoren mit erhöhtem Tragekomfort sind die Forscher beschäftigt. Deren personalisierte Fertigung erfolgt bisher meist mittels Abformungstechniken oder 3D-Druck. Wenn sich eine betroffene Körperregion in Folge von Belastungen ausdehnt, kann es zu unangenehmen Druckstellen kommen. In solchen Fällen soll der von Prof. Speck und seinen Kollegen gegenwärtig bei Pinguicula erforschte Bewegungsmechanismus für die lokale Ausbuchtung des Hilfsmittels sorgen. Gemeinsam mit Prof. Mülhaupt werden ebenso Orthesen und Wundverbände mit Passivkühlsystem gedruckt, die ohne Eisbeutel funktionieren und keine Gefahr der Unterkühlung bergen.

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Welche Hardware braucht 4D-Druck?

„Neue Hardware für den 4D-Druck ist für kleinere Produkte nicht notwendig, sofern sie auf einer Standardfläche von 210 mal 210 Millimeter druckbar sind. Es muss jedoch gewährleistet sein, dass die schaltbaren Polymere über lange Zeit gegenüber Umwelteinflüssen sehr robust sind“, sagt Mülhaupt. Einschränkend fügt er hinzu, dass es zwar insgesamt sehr viele Ideen für 4D-gedruckte Produkte gibt, bisher aber keine die Produktionsreife erreicht haben.

Angesichts der kurzen Zeit, seit es die 4D-Methode gibt, ist dies aber nicht verwunderlich. Momentan erproben Mülhaupt und seine Kollegen die Kombination von wasserabweisenden und durch Wasser quellbaren Kunststoffen, um bei Einwirken von Feuchtigkeit die programmierten Bewegungen auszulösen. Von Thermoplasten bis zu Polyurethan reicht das eingesetzte Spektrum an Kunststoffen. Und sogar ‚flüssiges Holz‘ eignet sich für den Druck.

Bedarf für größere 4D-Drucker besteht aber durchaus. Zum Beispiel für die Arbeiten im Rahmen eines Sonderforschungsbereichs der Deutschen Forschungsgemeinschaft. An diesem sind neben den Arbeitsgruppen von Mülhaupt und Speck auch Tiffany Cheng, Doktorandin im Labor von Prof. Achim Menges, beteiligt. Cheng erstellt die Computermodelle für Prothesen, Orthesen und Protektoren, anhand derer die Wissenschaftler um Mülhaupt die geeigneten Materialien entwickeln. Für die Prothetik arbeitet sie an einem Modell für die Sproßachse der Luftkartoffel Dioscorea bulbifera. Diese Kletterpflanze kann beim Umwinden des Stammes der Wirtspflanze den Druck auf diesen variieren, damit sie nicht herunterfällt.

Andererseits beschäftigt sich Cheng mit einem digitalen Modell für die Schuppen von Kiefernzapfen als Grundlage für das passive Kühlsystem. Diese öffnen oder schließen sich, je nachdem, ob die Luftfeuchte gering oder hoch ist. „Als Erweiterung zu den medizinischen Anwendungen versuche ich, eine Brücke zu schlagen, um die Bewegungsmechanismen auch für die Architektur nutzbar zu machen. So etwa für die regelbare Beschattung von Hausfassaden zur Klimatisierung der Gebäude“, sagt Cheng. Sogar die Dächer von Fußballarenen will sie einmal auf diese Weise gestalten. Dafür ist es notwendig, Produkte mit größeren Abmessungen herzustellen. Bei den dafür eingesetzten Druckern trägt der Arm eines Industrieroboters den Druckkopf. Die Arbeitsfläche solch eines Druckers ist mindestens 1 x 1 m groß.