Programmierbare Strukturen aus dem Drucker

Mithilfe eines 3-D-Druck-Verfahrens wurde ein Prototyp einer Unterarmschiene produziert, die sich an die Tragenden anpasst und Potenzial für medizinische Anwendungen hat. © Tiffany Cheng, ICD Universität Stuttgart

Mithilfe eines 3-D-Druck-Verfahrens wurde ein Prototyp einer Unterarmschiene produziert, die sich an die Tragenden anpasst und Potenzial für medizinische Anwendungen hat. © Tiffany Cheng, ICD Universität Stuttgart

 

Forschende der Universität Freiburg und der Universität Stuttgart haben ein neues Verfahren entwickelt, um bewegliche, sich selbst-anpassende Materialsysteme in einem handelsüblichen 3-D-Drucker herzustellen. Die Systeme können unter dem Einfluss von Feuchtigkeit komplexe Formveränderungen durchlaufen, sich auf vorprogrammierte Weise zusammenziehen und ausdehnen. Mithilfe der Methode hat das Team als ersten Prototyp eine Unterarmschiene produziert, die sich an die Trägerin oder den Träger anpasst und die für medizinische Anwendungen weiterentwickelt werden kann. 
Mit Stimuli-responsiven Polymeren können bereits Materialien und Materialsysteme gedruckt werden, die nach dem Druck noch beweglich sind und auf äußere Stimuli wie Licht, Temperatur oder Feuchtigkeit reagieren können. Dieser 4D-Druck erweitert das Anwendungspotenzial der Systeme immens. Allerdings sind die Drucker und die Ausgangsstoffe, mit denen solche Materialien bisher produziert werden, meist hochspezialisiert und teure Sonderanfragen. 

Mit handelsüblichen 3-D-Druckern lassen sich Materialien herstellen, die auf Änderungen der Luftfeuchtigkeit reagieren. Sie bestehen aus einer quellenden und einer stabilisierenden Schicht. Aufgrund ihres Aufbaus können diese Materialysteme sowohl Formveränderungen des Gesamtsystems als auch einzelner Teile durchlaufen. Die Forschenden aus Freiburg und Stuttgart kombinierten zwei reaktive Materialsysteme und konnte so einen komplexen Bewegungsmechanismus realisieren.

Für das neue Verfahren haben sich die Wissenschaftler einen Mechanismus aus der Natur zunutze gemacht: Die Luftkartoffel klettert an Bäumen hinauf, indem sie selbst Druckkraft gegen den Stamm der Wirtpflanze aufbringt. Hierfür windet sich die Pflanze zunächst lose um einen Baumstamm, um dann Nebenblätter (Stipulae) auszutreiben, die den Abstand zwischen der Kletterpflanze und dem Stamm der Wirtspflanze vergrößern. Dabei wird der windende Stamm der Luftkartoffel unter Spannung gesetzt. Um diese Mechanismen nachzuahmen, haben die Forschenden das Materialsystem modular aufgebaut: Seine Schichten sind so strukturiert, dass es sich in verschiedene Richtungen und in unterschiedlichen Graden biegen kann und sich so schraubig windet und eine Helix-Struktur bildet. Taschen auf der Oberfläche sorgen dafür, dass die Helix nach außen gedrückt wird und unter Spannung gerät, woraufhin sich das gesamte Materialsystem zusammenzieht.