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3D-Druck: Bauteil verändert sich bei Feuchtigkeit

3D-Druck in der Medizin
Unterarmschiene aus dem 3D-Drucker passt sich selbst an den Arm an

Bewegliche, sich selbst-anpassende Materialsysteme lassen sich im handelsüblichen 3-D-Drucker herstellen. Ein Verfahren dafür haben Forschende der Universitäten Freiburg und Stuttgart entwickelt. Vorbild war eine Kletterpflanze – anwenden lässt sich das Verfahren unter anderem für die Medizin.

Der 3D-Druck hat sich als Fertigungsverfahren inzwischen für viele Anwendungen etabliert. Auch intelligente Materialien und Materialsysteme lassen sich damit erzeugen, die nach dem Druck noch beweglich sind. Sobald ein Reiz von außen kommt – wie Licht, Temperatur oder Feuchtigkeit –, können sie selbstständig ihre Form verändern. Dieser so genannte 4D-Druck, mit dem sich eine Formänderung gezielt auslösen lässt, erweitert das Anwendungspotenzial der Systeme immens. Basis der Formveränderungen ist meist die chemische Zusammensetzung der Materialien, so genannter Stimuli-responsiver Polymeren. Allerdings sind die für die Verarbeitung eingesetzten Drucker und Ausgangsstoffe in der Regel hochspezialisierte und teure Sonderanfertigungen.

Aber auch mit handelsüblichen 3D-Druckern lassen sich Teile herstellen, die zum Beispiel auf Änderungen der Luftfeuchtigkeit reagieren. Sie bestehen aus einer quellenden und einer stabilisierenden Schicht. Aufgrund ihres Aufbaus können die Materialsysteme als Gesamtsystem ihre Form ändern, aber auch einzelne Teile eines Systems sind dazu in der Lage. Um eine solche Veränderung zu ermöglichen, haben Forschende der Universitäten Freiburg und Stuttgart zwei reaktive Materialsysteme kombiniert und konnten so einen komplexen Bewegungsmechanismus realisieren: eine gewundene Struktur, die sich durch das Aufklappen von Drucktaschen fester zieht und sich von selbst wieder lösen kann, wenn die Drucktaschen einklappen. Dann kehrt die gewundene Struktur in einen offenen Zustand zurück.

Erst locker umwickeln und dann Spannung aufbauen

Für das neue Verfahren haben die Wissenschaftler einen Mechanismus nach dem Vorbild der Natur genutzt: Die Luftkartoffel klettert an Bäumen hinauf, indem sie Druckkraft gegen den Stamm der Wirtspflanze aufbringt. Hierfür windet sich die Luftkartoffel zunächst lose um einen Baumstamm, um dann Nebenblätter auszutreiben, die den Abstand zwischen der Kletterpflanze und dem Stamm der Wirtspflanze vergrößern. Dabei wird der windende Spross der Luftkartoffel unter Spannung gesetzt.

Modular aufgebaute Schichten biegen sich unterschiedlich

Um diese Mechanismen nachzuahmen, haben die Forschenden das Materialsystem für den 3D-Druck modular aufgebaut: Seine Schichten sind so strukturiert, dass es sich in verschiedene Richtungen und in unterschiedlichen Graden biegen kann und sich dabei schraubenartig 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.

Bisher Reaktion auf Feuchte – mehr ist denkbar

Mithilfe dieser 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. „Bisher ist unser Verfahren noch begrenzt auf vorhandene Ausgangsmaterialien, die auf Feuchtigkeit reagieren“, sagt Prof. Achim Menges von der Universität Stuttgart. „Wir hoffen“, ergänzt Prof. Thomas Speck von der Universität Freiburg, „dass künftig auch preiswerte Materialien für den 3-D-Druck verfügbar sein werden, die auf andere Reize reagieren und die für unser Verfahren ebenfalls zum Einsatz kommen können.“

Im Exzellenzcluster Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems (Livmats) der Universität Freiburg entwickeln Forscherinnen und Forscher lebensähnliche Materialsysteme, die von der Natur inspiriert sind. Ähnlich wie lebende Strukturen können sie sich autonom an unterschiedliche Umwelteinflüsse anpassen, saubere Energie aus ihrer Umgebung ernten und sind unempfindlich gegen Beschädigungen oder heilen diese selbstständig. Dennoch geht es bei diesen Materialsystemen um rein technische Objekte. Sie werden mit synthetischen Methoden hergestellt und lassen sich auch unter extremen Bedingungen einsetzen. (op)

Kontakt zu den Forschern:
Prof. Dr. Thomas Speck
Exzellenzcluster Livmats/ Institut für Biologie II
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Tel.: +49 (0)761-203–2875
E-Mail: thomas.speck@biologie.uni-freiburg.de


Weitere Informationen

Entwickelt haben das Verfahren Tiffany Cheng und Prof. Dr. Achim Menges vom Institut für computerbasiertes Entwerfen (ICD) und dem Exzellenzcluster Integratives und computerbasiertes Planen und Bauen für die Architektur (Int-CDC) der Universität Stuttgart. Ihr Foschungspartner war Prof. Dr. Thomas Speck von der Plant Biomechanics Group und dem Exzellenzcluster Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems (Livmats) der Universität Freiburg.

www.intcdc.uni-stuttgart.de
https://livmats.uni-freiburg.de

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