4D-Druck: Wärme lässt gedruckte Objekte schrumpfen

Der 3D-Druck bietet als additive Fertigungs­techno­logie zahl­reiche Vorteile. Beispiels­weise können Produkte und Demon­stra­toren individuell gestaltet werden und sind schnell verfügbar. Ein Forscher­team des Fraunhofer Cluster of Excellence Program­mier­bare stellt jetzt Druck­objekte im 4D-Druck her. Bei dieser Techno­logie wird der Dimension Raum, also 3D, die Dimension Zeit, also 1D, hinzu­gefügt. Auf diese Weise lassen sich Objekte aus Form­gedächtnis-Polymeren drucken, die zu einem späteren Zeitpunkt ihre Form einmalig durch Erwärmen ändern können – und das in durchaus bemerkens­werter Weise: Stäbchen­förmige Proben von etwa vier Zentimetern Länge schrumpfen um bis zu 63 Prozent zusammen. Auch Krümmungen lassen sich dabei gezielt realisieren.

„Wir sind zunächst von einer einfachen Stäbchen-Geometrie ausge­gangen und anschließend komplexer geworden, indem wir auch hohl­zylinder- und hohl­quader­förmige Proben herge­stellt haben“, sagt Thorsten Pretsch vom Fraunhofer-Institut für angewandte Polymer­forschung IAP, der das Projekt im Rahmen des Fraunhofer CPM koordiniert. „Bei allen unter­suchten Geometrien legten wir das gewünschte Material­verhalten vorab fest.“

Um die Reaktion auf eine Temperatur­erhöhung einzu­stellen, gibt es generell zwei Möglich­keiten. Die erste besteht in der Wahl des Materials – hier haben die Forscher ein neues Polymer auf Basis von thermo­plastischem Poly­urethan, kurz TPU, mit Form­gedächtnis-Eigen­schaften entwickelt. Das Team zeigte zudem, dass die Erkenntnisse des 4D-Drucks auch auf ein anderes thermo­plastisches Polymer über­tragbar sind: Sie stellten schrumpf­bare Druck­objekte aus dem biobasierten Kunststoff Poly­milch­säure, kurz PLA, her.

Die zweite Möglichkeit liegt in der geschickten Führung des Druck­prozesses. „Der Clou ist, dass wir den Materialien während des Drucks nur wenig Zeit zum Abkühlen geben. Dadurch werden drastische Eigen­spannungen im Material gespeichert. Der spätere Schrumpf­effekt ist dann sehr stark ausgeprägt“, sagt Pretsch. Durch die Wahl des Materials, der Verarbeitungs­temperatur und der Druck­ge­schwin­dig­keit lässt sich also nicht nur das Schrumpf­verhalten einstellen, sondern auch der gekrümmte Zustand.

Der erste Schritt im Projekt bestand in der Material­entwicklung und der Über­tragung der Erkenntnisse von TPU auf PLA. Im zweiten Schritt wurde ein Demonstrator entwickelt – ein Türöffner, der auf eine Türklinke aufge­schrumpft wird, so dass man sie ohne Hand­kontakt mit dem Ellen­bogen betätigen kann. Die Demontage ist einfach: Durch erneutes Erwärmen löst sich der Türöffner rück­stands­frei von der Klinke. Wird das Druckobjekt nicht mehr benötigt, kann es gemahlen und wieder zu Filament verarbeitet werden, das mindestens ein weiteres Mal für den 4D-Druck genutzt werden kann.

Fh.-IAP / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  D. Chalissery et al.: Highly Shrinkable Objects as Obtained from 4D Printing, Macrom. Mat. Engin. 2021, 2100619 (2021); DOI: 10.1002/mame.202100619
• Fraunhofer Cluster of Excellence Programmierbare Materialien, Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik, Freiburg, Fraunhofer-Gesellschaft, München