Forscher aus Tokio demonstrieren selbstständiges Selbst

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Eine Gruppe der Fakultät für Elektrotechnik und Informationssysteme der Universität Tokio veröffentlichte kürzlich einen Artikel über ihre Methode zum 4D-Druck hochauflösender selbstfaltender Origami-Strukturen. Ihre Methode kombiniert 4D-Druck, Origami und Chemie, um Objekte zu schaffen, deren Auflösung 1200-mal höher ist als die von FDM-4D-Drucken (Fused Deposition Modeling). Dieses Verfahren kann in zahlreichen Anwendungen eingesetzt werden und könnte in Zukunft sogar eine Möglichkeit sein, Ihr Zara-T-Shirt zu versenden.

4D-Druck gibt es nun schon seit 10 Jahren. Hierbei handelt es sich um den Prozess des 3D-Drucks eines Materials, das sich bewegen kann, wenn nach dem Druck ein Reiz wie Wärme, Licht oder Elektrizität ausgeübt wird. Die Technologie wird aktiv für den Einsatz im Baugewerbe, im Militär und in der Weltraumforschung erforscht und könnte den 3D-Druck grundlegend verändern. Doch wie alle Technologien hat auch der 4D-Druck seine Grenzen, wobei eine herausragende Einschränkung das selbstständige Selbstfalten ist.

Die Gruppe der Universität Tokio unter der Leitung von Assistenzprofessor Koya Narumi wollte dieses Problem direkt angehen und nach Möglichkeiten suchen, Tessellationen zu nutzen, um den Selbstfaltungsprozess zu beschleunigen. Die Idee der Gruppe bestand darin, mit handelsüblichen UV-Tintenstrahltinten und -Druckern zweidimensionale Muster auf eine wärmeschrumpfbare Folie zu drucken. Nach dem Drucken wurde die Schrumpffolie mit Wasser erhitzt und die Folie nahm spontan die gewünschte Form an. Basierend auf den gemusterten Tessellationen könnten die Spannungen und Dehnungen durch Simulationen vorhergesagt und so gestaltet werden, dass sie die gewünschte Form annehmen.

Bild des Selbstfaltvorgangs mit dem 4D-gedruckten Blumenstrauß. (Bild mit freundlicher Genehmigung von ACM Transactions on Graphics)

Die Gruppe sagt, dass ihre größte Herausforderung darin bestand, die richtige Hardware und Tinten für diesen Prozess zu finden. Durch Versuch und Irrtum landeten sie schließlich auf Mimaki UJF-6042 MKII als UV-Drucker, Mimaki LUS150 (CMYK+Weiß), LH-100 (klar) und PR-200 (Grundierung) als UV-härtende Tinten sowie Hakko Shrink Folie 841-02 und Vilene Iron Shrink Sheet OR-30N als Wärmeschrumpffolien. Mit dieser Auswahl verbesserte die Gruppe die Auflösung um das 1200-fache gegenüber einem Standard-FDM-4D-Druck und führte den Formänderungsprozess schneller und mit weniger menschlichem Eingriff durch, als frühere Untersuchungen gezeigt hatten.

Narumis Team präsentierte außerdem die potenziellen Endanwendungen seiner Technologie anhand von fünf verschiedenen Demos: einem Hut, einer Jacke, einem Blumenstrauß, einem Schiff in einer Flasche und einem Umschlag. In Zukunft würden sie laut Angaben des Teams gerne andere Funktionsmaterialien wie leitfähige oder magnetische Tinten erforschen und versuchen, mit dieser Technik glattere Oberflächen zu erzielen.

Insgesamt ist dies eine großartige Ergänzung für die 4D-Druck-Community. Narumis Team konnte eine Lösung für ein Problem finden, das in diesem Bereich weit verbreitet war und in vielen Branchen wie Mode, Weltraumforschung und Medizin Anwendung finden könnte. Ich kann mir durchaus vorstellen, dass sich dies mit den anderen Bemühungen im 4D-Druck verbindet, und angesichts des großen Interesses, das der 4D-Druck im letzten Jahrzehnt erfahren hat, sind wir sicher, dass die Forschung in diesem Bereich weiterhin florieren wird.

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