Strukturen aus dem 3D-Drucker verformen sich selbstständig

Wie von selbst öffnen sich Blüten beim Sonnenaufgang. Diese natürliche Selbstorganisation übertrugen Wissenschaftler nun auf komplexe Strukturen, die sie mit einem 3D-Drucker schnell und einfach herstellten. In der Fachzeitschrift „Nature Materials“ zeigen sie, wie mit einer Mischung aus weichen Kunststoffen und härteren Zellulosefasern beliebige Objekte gedruckt werden konnten, die sich darauf selbstständig zu dreidimensionalen Formen umwandelten. Dieses biomimetische 4D-Druck genannte Verfahren könnte die Entwicklung von autonomen Robotern, von künstlichem Gewebe oder auch von intelligenten Textilien weiter voran treiben. Prinzipiell beschreibt der 4D-Druck ein Objekt aus einem 3D-Drucker, das danach seine Form ändert.

Vordruck für Orchideen

„Mit unserem Ansatz für 4D-Druck lassen sich Strukturen mit zuvor festgelegten Funktionen erschaffen“, sagt Lakshminarayanan Mahadevan von der Harvard University in Cambridge, USA. Mit seinen Kollegen entwickelte er zuerst eine spezielle Tinte, in der sie Zellulosefasern, winzige Tonpartikel und Kunststoff-Monomere miteinander vermischten. Diese Tinte, auch Hydrogel genannt, ließ sich mit einem 3D-Drucker schichtweise in beliebige Strukturen anordnen. Ausgehärtet unter ultraviolettem Licht entstanden komplexe Objekte, die sich bei der Aufnahme von Flüssigkeit in einer vorher festgelegten Weise verformten. Auch reversible Verformungen über wechselnde Temperaturen waren in Abhängigkeit von den Zutaten der Tinte möglich.

Die digitalen Vorlagen für den 3D-Druck der sich selbstständig verformenden Objekte entstanden über komplexe mathematische Modelle. Jeder zu verformende Abschnitt eines Objekts bestand dabei aus einem zweischichtigen System. Jeweils eine dieser Schichten konnte Wasser aufsaugen, schwoll dadurch an und bog das gesamte Objekt in eine dreidimensionale Struktur. Die zweite Schicht diente dabei der Stabilisierung. Mahadevan und Kollegen kreierten nach diesem Prinzip etwa eine künstliche Orchideenblüte oder eine fünfblättrige Ringstruktur, bei der sich die einzelnen Blätter zu kleinen Schaufeln verformten. Bei der Aufnahme von Wasser dauerte dieser Wandlungsprozess kaum eine Minute.

Selbstständige Verformung

Mit diesen komplexen Objekten belegten die Wissenschaftler, dass sich mit einem 3D-Drucker und geeigneter Tinte eine nahezu unerschöpfliche Vielfalt an sich selbst verformender Strukturen eröffnet. Je nach Anwendungsgebiet – Robotik, medizinische Implantate, intelligente Kleidung – könnten nun Objekte mit der jeweils gewünschten Gestalt entwickelt werden. In weiteren Versuchen wäre es möglich, der Tinte andere Materialien wie Flüssigkristalle oder metallische Nanostäbchen beizumischen, um den Objekten etwa elektrische Leitfähigkeit, Schaltvermögen und weitere Eigenschaften zu verleihen.