Einführung in die Funktionsweise des 4-D-Drucks

Mit anderen Worten, was wäre, wenn wir vierdimensionale Objekte drucken könnten?

OK, sicher, technisch gesehen ist alles vierdimensional – laut Physikern eigentlich zehn- oder mehrdimensional – aber wir denken bei der gebauten Welt hauptsächlich in Bezug auf Länge, Breite und Höhe . Die vierte Dimension, die Zeit, sehen wir als den Feind an, dessen Auswirkungen wir unser Bestes tun, um zu widerstehen (Experten bleiben geteilter Meinung darüber, ob die fünfte Dimension „The Twilight Zone“ oder die Band ist, die „The Age of Aquarius“ sang) .

Und so bauen wir Wände und Rohre so stark wie wir können – und reparieren sie, wenn sie altern – weil der Bau Zeit, Geld und Mühe kostet und wir es nicht immer wieder tun wollen. Aber was wäre, wenn die Zeit nicht der Feind wäre? Angenommen, eine Struktur könnte sich selbst entfalten, wie Origami. Stellen Sie sich vor, seine Wände könnten sich als Reaktion auf wechselnde Lasten biegen oder versteifen, oder wenn ein unterirdisches Rohr seine Form ändern könnte, um sich an unterschiedliche Wasserströme anzupassen – oder um Wasser per Peristaltik zu pumpen, wie Ihr Verdauungssystem. Durch den 4-D-Druck ist nichts in Stein gemeißelt, es sei denn, Sie möchten es so.

Wenn Forscher und Hersteller es zum Laufen bringen können, könnte der 4-D-Druck unsere gesamte Vorstellung von Fertigung verändern. Unternehmen könnten Schutzräume, Maschinen und Werkzeuge drucken, sie dann flach verpacken und dorthin versenden, wo sie benötigt werden – vielleicht in Katastrophengebiete, oder sie für feindliche Umgebungen wie den Weltraum oder den Meeresboden vorbereiten. Dort könnten für den Menschen schädliche Umweltbedingungen tatsächlich die Form- und Eigenschaftsänderungen des Objekts antreiben – nicht nur einmal, sondern wiederholt.

Im Mittelpunkt stehen die grundlegende Physik, Chemie und Geometrie hinter den banalsten natürlichen Prozessen. Überlegen Sie, wie Ihr Haar seine Form ändert, wenn ein Sturm hereinbricht, eine einfache Angelegenheit von Luftwasser, die dazu führt, dass Keratinproteine ​​​​einen ungewöhnlich hohen Anteil an Wasserstoffbrückenbindungen bilden, die dazu führen, dass sie sich zurückfalten, anstatt sich auszudehnen [Quelle: Stromberg ]. Oder stellen Sie sich vor, wie ein flacher, aufblasbarer Stuhl beim Einatmen eine vorhersehbare Form annimmt, weil seine Abschnitte unterschiedliche Eigenschaften haben.

Vierdimensionale Geräte erfordern weder Menschen, um sie zu bauen, noch sind sie Roboter, die Mikrochips, Servos und Armaturen benötigen, um zu funktionieren. Ihre einzige „Programmierung“ betrifft die in ihre Strukturen eingebettete Geometrie, Physik und Chemie.

1. Dimension hinzufügen
2. Programmierbare Materie: Geometrie ist Schicksal
3. Selbstfaltendes Origami
4. Die Zukunft von 4-D entfalten

Der 4-D-Druck ist im Kern eine Kombination aus 3-D-Druck und einem weiteren hochmodernen Bereich, der Selbstmontage .

Selbstmontage ist genau das, wonach es sich anhört – das spontane Ordnen von Teilen zu einem größeren, funktionalen Ganzen. Das Gebiet ist in Nanotechnologiekreisen aus zwei sehr guten Gründen beliebt. Erstens findet die Selbstorganisation bereits im Nanomaßstab statt und liefert die treibende Kraft hinter Prozessen, die von der Proteinfaltung bis zur Kristallbildung reichen [Quelle: Boncheva und Whitesides ]. Zweitens haben wir keine Hämmer, Schraubenschlüssel und Schraubendreher, um eine Maschine in der Größe eines Moleküls zu bauen. Es muss mit sich selbst auskommen.

Aber wenn wir die Selbstorganisation auf menschliche Proportionen skalieren könnten, könnte es uns ermöglichen, aktuelle Produkte billiger und einfacher zu machen oder ansonsten unmögliche neue Technologien zu entwickeln [Quelle: Boncheva und Whitesides ]. Es ist eine mühsame und oft frustrierende Arbeit. Selbst unter idealen Umständen müssen Sie eine Montagesequenz aufschlüsseln, programmierbare Teile entwickeln und eine Energiequelle finden, die Ihr Gerät zum Laufen bringt. Eine Fehlerkorrektur einzubauen ist auch keine schlechte Idee [Quelle: Tibbits ]. Vor allem aber benötigen Sie die richtigen Werkzeuge und Materialien für den Job.

Einstieg in den 3D-Druck . Obwohl immer wieder neue Ansätze entstehen, beinhaltet der 3D-Druck traditionell das wiederholte Auftragen sorgfältig definierter Polymerschichten auf ein Druckbett. Wenn jede neue Schicht aushärtet und mit der darunter liegenden verschmilzt, entsteht eine dreidimensionale Form. Frühere Modelle konnten jeweils nur mit einem Material drucken, neuere 3D-Drucker ermöglichen jedoch eine größere Auswahl an Druckmedien und das Drucken mit mehr als einem Material gleichzeitig. Das ist ein wichtiger Durchbruch für den 4-D-Druck, denn unterschiedliche Materialien ermöglichen es Entwicklern, Bereiche einzubauen, die sich versteifen, biegen oder quellen oder die sich auf bestimmte Weise falten „wollen“. Sie können Zonen haben, die Wasser wie ein Schwamm aufsaugen oder bei Lichteinfall elektrischen Strom erzeugen. Der Himmel ist die Grenze, solange du'

Das Self-Assembly Lab am MIT nennt dies programmierbare Materie – ein Ansatz für Wissenschaft, Technik und Materialien, der sich auf Materie konzentriert, die codiert werden kann, um sich selbst neu zu formen oder ihre Funktion zu ändern. Eine Anwendung programmierbarer Materie ist der 4-D-Druck [Quelle: MIT ].

Der Markt für Wandlungsfähigkeit

Ein Bericht des Marktforschungsunternehmens Marketsandmarkets aus dem Jahr 2015 prognostizierte, dass der 4-D-Druck bis 2025 einen jährlichen Umsatz von 555,6 Millionen US-Dollar ausmachen würde hohe Anschaffungskosten). In Bezug auf Early Adopters hob der Bericht die Sektoren Luft- und Raumfahrt, Verteidigung und Militär hervor, sah aber auch Branchen wie Automobil, Textil, Gesundheitswesen, Bauwesen und Versorgungsunternehmen als potenzielle Early Adopters [Quelle: Halterman ].

MIT-Forscher sind nicht die einzigen, die am 4-D-Druck arbeiten, aber das Self-Assembly Lab der Schule ist dasjenige, das am frühesten für Aufsehen gesorgt hat, vor allem dank der TED-Vorträge seines Direktors, des Architekten Skylar Tibbits.

Die Forscher des Labors betraten zunächst die Welt der Selbstmontage, indem sie einfache, großformatige, selbstbauende Roboter schufen. Als sie feststellten, dass die Arbeit und die Kosten nicht machbar waren, wandten sie sich der Herstellung von Formen und Materialien mit eingebauter Logik zu.

Im Jahr 2010 schufen sie Logic Matter, eine Reihe ineinandergreifender Formen, die Rechenprobleme allein mit ihrer Geometrie lösen konnten.

Auf das Wesentliche reduziert, arbeitet ein Computer mit elektronischen Gattern, die Einsen und Nullen kombinieren und eine wahre oder falsche Antwort zurückgeben. Diese Gatter verwenden Boolesche Algebra, die Fragen stellt wie "Sind beide Eingänge 1s?" oder "ist einer der Eingänge eine 1?" Das Tibbits-Labor stellte die gleichen Fragen, verwendete jedoch komplexe Polyeder anstelle der üblichen elektrischen Ein/Aus-Zustände, die Einsen und Nullen darstellen. Die Eingabe umfasste das Anklicken von Formen. Dadurch wurde eine neue Konfiguration geschaffen, die es der nächsten Form – der Ausgabe – ermöglichen würde, sich nur in einer nach oben (wahr) oder nach unten (falsch) ausgerichteten Ausrichtung anzuhängen, was die Antwort liefert.

Logic Matter stieg nicht auf die Ebene der Selbstmontage – die Teile erforderten menschliche Hände, um sie zusammenzufügen – aber es stellte einen wichtigen ersten Schritt in diese Richtung dar, indem es zeigte, dass Materie eingebaute Anweisungen haben könnte [Quelle: Tibbits ]. In den folgenden Jahren wandten sich die Forscher des Self-Assembly Lab immer mehr Gegenständen zu, die ihrem Namen mehr entsprachen: geometrische Formen, die sich verbinden, wenn sie in einem Behälter gerollt oder geschüttelt werden, Ketten, die beim Schütteln bestimmte Formen annehmen, und so weiter.

Dies markierte den nächsten wichtigen Schritt: die Kombination einer eingebauten geometrischen Tendenz mit einem Energieeintrag (oder einem anderen Umweltfaktor), um ihn in Gang zu bringen.

Aber was ist diese geometrische Tendenz? Nun, wenn Sie jemals versucht haben, etwas aus Pappe (oder Holz oder Metall) zu machen, wissen Sie, dass es sich leichter falten lässt, wenn Sie es zuerst einkerben. Scoring ist also eine Art Programmierung, eine Möglichkeit, das Material mit größerer Wahrscheinlichkeit so zu verhalten, wie Sie es möchten. Stellen Sie sich jetzt anstelle von Pappe eine Kombination von Materialien vor, von denen einige Wasser aufnehmen und wachsen können, während andere steif bleiben. Werfen Sie es in Wasser und beobachten Sie, wie sich seine Form ändert. Werden Sie schlau genug mit Ihren Faltungen und Wertungen und bevor Sie es wissen, haben Sie etwas wirklich Besonderes.

Aber zuerst brauchen Sie eine Menge präzise Kontrolle über die Materialien, die Sie verwenden, und das Muster, in dem Ihre Maschinen sie ablegen. Und dieser Ansatz wird in kleineren Maßstäben besser funktionieren, wo Energiezufuhr und Materialunterschiede eine größere Wirkung haben können. Der 3D-Druck mit mehreren Materialien half dabei, die benötigten Kontrollforscher bereitzustellen, aber sie benötigten auch die richtigen Materialien.

Als Tibbits seine Idee gegenüber den Leuten von Stratasys, einem in Minnesota ansässigen 3-D-Druckunternehmen, erwähnte, zeigten sie ihm ein Material, das um 150 Prozent wachsen konnte, wenn es in Wasser getaucht wurde. Wasser bietet ein vielversprechendes Mittel zur Manipulation von 4-D-Objekten, da die Natur zahlreiche Arbeitsmodelle von Objekten bereitstellt, die ihre Form als Reaktion auf Feuchtigkeit ändern. Wir nennen sie Pflanzen.

Pflanzen zeigen Tropismen , Tendenzen, auf bestimmte Weise zu wachsen, basierend auf Umweltfaktoren wie Sonnenlicht (Phototropismus), Wasser (Hydrotropismus), Schwerkraft (Gravitropismus), Chemikalien (Chemotropismus) und sogar physischem Kontakt (Thigmotropismus). Zum Beispiel neigen Pflanzen dazu, sich dem Sonnenlicht zuzuwenden, weil Sonnenlicht Hormone namens Auxine tötet, die das Wachstum fördern. Folglich wächst die der Sonne abgewandte Seite einer Pflanze schneller als die ihr zugewandte Seite, wodurch sich die Pflanze zum Licht neigt. Mit ein wenig Vorstellungskraft ist es leicht zu sehen, wie wir die Physik, die Materialien, Umgebungen und Energie verbindet, ähnlich biegen könnten, um unseren Befehlen nachzukommen.

Angesichts der Inspiration, die Pflanzen den 4-D-Druckforschern geliefert haben, ist es vielleicht nicht verwunderlich, dass ein Harvard-Team 2016 Schlagzeilen machte, indem es eine 4-D-gedruckte „Orchidee“ schuf, die die Form ihres Namensvetters annahm, wenn sie in Wasser gelegt wurde. Die Blume wurde mit einem Hydrogel-Verbundstoff gedruckt, der Schicht für Schicht wie Zuckerguss aus einem Spritzbeutel auf das Druckbett gespritzt wurde [Quelle: McAlpine ].

Zwei Aspekte des Druckprozesses erklären das Verhalten der Blume. Erstens die Verwendung von Hydrogel, das große Mengen Wasser aufnehmen kann. Das zweite ist die Tatsache, dass der Verbundstoff auch Zellulosefibrillen enthielt – kleine, starke Fasern, die für die Pflanzenstruktur unerlässlich sind. Da die Zellulose immer in eine bekannte Richtung floss, konnte das Team sie sorgfältig strukturieren, um zu kontrollieren, welche Teile der Blume anschwellen könnten und welche Teile steif bleiben würden, wenn sie Wasser ausgesetzt würden [Quelle: McAlpine ].

Zweifellos werden wir im Laufe der Zeit viele weitere Experimente mit einer Vielzahl anderer Materialien sehen, wie z. B. Leiter für flexible und dynamische elektrische Schaltungen . Aber wir werden wahrscheinlich auch sehen, dass der Begriff 4-D-Druck, wie die meisten Schlagworte, ein Eigenleben entwickelt und sich auf eine breitere Palette von Themen ausdehnt. Zum Beispiel beschreibt ein Unternehmen, Nervous System, seine neuartige Technik für den 3-D-Druck von Kleidung – die Kleidung aus geschickt angeordneten Nylonblättern herstellt, die durch Gelenke verbunden sind – als „4-D-Druck“ [Quelle: Rosencranz ].

Schauen wir uns ein paar andere potenzielle 4-D-Futures an.

Ich weiß nicht, ob es Kunst ist, aber ich würde es tragen

Das Kleid von Nervous System wurde mithilfe von Kinematik entworfen , die manchmal als Bewegungsgeometrie bezeichnet wird. Durch viel Berechnung und cleveres Design konnte das Unternehmen flexible Kleidungsstücke aus Zehntausenden starrer, ineinandergreifender Teile herstellen. Das Museum of Modern Art hat seitdem das Kleid und die Software, mit der es erstellt wurde, für seine ständige Sammlung erworben [Quelle: Rosencranz ].

Die Welt der Nanomaschinen hat einen Vorsprung auf dem Weg der Selbstmontage, zum Teil, weil sie aus der Natur Beispiele für effiziente, komplexe Designs ziehen kann, die sich selbst zusammenbauen, selten Fehler machen und sich bei Bedarf selbst reparieren. Diese Prinzipien auf den menschlichen Maßstab zu übertragen, hat sich als schwierig erwiesen, aber wenn es funktioniert, sind die Möglichkeiten beeindruckend – eine Tatsache, die der US-Armee nicht entgangen ist, die bereits 855.000 US-Dollar zur Finanzierung auf die Harvard University, die University of Pittsburgh und die University of Illinois aufgeteilt hat Erforschung militärischer Anwendungen wie selbstgebauter Brücken und Unterstände [Quelle: Campbell-Dollaghan ].

Wir haben bereits erwähnt, wie Mode und Einrichtung eine unterhaltsame und profitable Möglichkeit bieten können, eine neuartige Technologie einzuführen, und angesichts der Tatsache, dass eine Größe eindeutig nicht für alle passt, ist dies ein Sektor, der für solche Anwendungen reif ist. Wir könnten bald Muster – oder Saumlinien – sehen, die sich auf Befehl ändern.

Der Punkt ist, dass ein Großteil des Reizes des 3D- und 4D-Drucks in seiner Flexibilität liegt. Mittels 3-D-Computermodellierung könnte ein Unternehmen ein Kleid oder einen Schuh an jeden Körper anpassen, direkt aus dem Tor heraus, ohne Schneiden oder Nähen – und es als Einzelstück drucken [Quelle: Rosencranz ]. Durch die Verwendung von 4-D-Materialien und -Geometrie konnte sich das Kleidungsstück als Reaktion auf Dehnungs- und Belastungskräfte selbst anpassen. Ein Laufschuh könnte sich versteifen, um seitlichen Halt und Stabilität zu bieten, während er beispielsweise die Belastungen eines Tennisspiels wahrnimmt.

BMW hat bereits ein Konzeptauto gezeigt, das 4-D-Designs in das integrieren würde, was sie "lebendige Geometrie" nennen. Stellen Sie sich Innen- oder Außenkomponenten vor, die ihre Form ändern könnten, um wechselnden Fahrbedingungen standzuhalten. Außerhalb des Autos könnten sich 4-D-Panels an Temperatur, Luftstrom, Lenkung oder Sensoreingang anpassen, um die aerodynamische Effizienz zu maximieren. Reifen und Bremsen könnten sich auch als Reaktion auf die Straßenbedingungen ändern [Quelle: Vijayenthiran ].

In Zukunft, wenn Biomimetik und 4-D-Druck zusammenkommen, könnten wir medizinische Geräte sehen, die auf unseren Körper zugeschnitten sind, und sogar Körpervergrößerungen, die auf ihre Umgebung reagieren [Quelle: Grunewald ]. Das nennen wir personalisierte Medizin.

Natürlich muss der 4-D-Druck zahlreiche Einschränkungen überwinden, bevor er sein volles Potenzial entfalten kann. Erstens bleibt der Prozess vorerst jedenfalls sehr, sehr langsam. Und seine Abhängigkeit von der Geometrie schränkt seine Möglichkeiten etwas ein, aber das ist wahrscheinlich ein vorübergehendes Hindernis. Potenziell schwerwiegender sind die Spannungen, die auf jedes Material wirken, das gezwungen wird, sich zu biegen, oder die Bruchstellen, die möglicherweise durch eine solche Geometrie eingeführt werden. Darüber hinaus haben 4-D-Materialien in einigen Fällen Probleme, sich nicht zu ändern – sie bleiben in ihrer neuen Form, anstatt in die alte zurückzukehren, oder wechseln nicht wie vorgesehen zwischen den Zuständen [Quelle: Wassmer ].

Ob der 4-D-Druck eine Modeerscheinung, eine Kuriosität oder das nächste große Ding darstellt, wird nur die Zeit – passenderweise – zeigen.

3D-Druck nimmt Fahrt auf

Eines der Hauptprobleme von 3D-Druckern ist, dass sie langsam sind. Aber eine neue Technologie, die von Carbon3D auf der TED-Konferenz 2015 vorgestellt wurde, hat die Technologie möglicherweise auf einen höheren Gang gebracht. Anstelle des additiven Ansatzes, der von den meisten seiner Cousin-Drucker verwendet wird, verwendet es Sauerstoff und Licht, um Objekte zu züchten, während es sie aus einem Harzbad zieht, in einem Prozess, der dem Hochgeschwindigkeits-Kristallwachstum ähnelt [Quelle: DelViscio ].

Anmerkung des Autors: Funktionsweise des 4-D-Drucks

Der 4-D-Druck steckt noch in den Kinderschuhen – sicherlich noch zu früh, um zu wissen, ob er mehr ist als eine clevere Art, eine Sammlung verwandter Ideen zu vermarkten, geschweige denn, ob er praktisch umgesetzt werden kann. Aber einige der Leute, die auf solche Dinge wetten , setzen darauf, und warum nicht? Wenn es nur einen Bruchteil dessen kann, wofür es angepriesen wird, wird es weit kommen. Schauen Sie sich nur an, wie weit der 3D-Druck in nur wenigen Jahrzehnten gekommen ist.

Dennoch muss man sich fragen, ob es nicht eine Grenze dafür gibt, wie schnell diese selbstorganisierenden Technologien im Makromaßstab arbeiten können. Ein Material kann nur so schnell wachsen, sich kräuseln, biegen oder einfach zusammenschlagen, ohne das Material auf radikale Weise verändern zu müssen. Andererseits kann vielleicht genug Energie, die in ein bestimmtes System gestaut wird, ein solches Problem überwinden, vorausgesetzt, die Materialien können die Belastungen aushalten.

Zum Thema passende Artikel

Weitere tolle Links