4D-Druck: Wärme lässt Objekte schrumpfen

Die 4D-Fertigungstechnologie vorantreiben und einen Beitrag zur Corona-Krise leisten. Das war der Ansporn für ein Projekt im Fraunhofer Cluster of Excellence Programmable Materials, in dem die vier Fraunhofer-Institute IAP, IWU, ITWM und IWM zusammengearbeitet haben. Anders als beim 3D-Druck wird bei der 4D-Fertigung die Dimension Zeit hinzugefügt. So lassen sich Objekte aus Formgedächtnispolymeren drucken, die zu einem späteren Zeitpunkt einmalig ihre Form ändern können. Die Objekte müssen dafür lediglich erwärmt werden. Was sich die Fraunhofer-Institute mit ihren spezifischen Kompetenzen überlegt haben und wie sie vorgegangen sind, das erfahren Sie im Interview!

Beim 4D-Druck können durch die Dimension Zeit die gedruckten Objekte geschrumpft werden. Was für Objekte haben Sie gedruckt und wie sind Sie dabei vorgegangen?

Thorsten Pretsch: Angefangen haben wir zunächst mit der Herstellung 4D-gedruckter Objekte in Form von kleinen stäbchenförmigen Proben. Diese haben wir dann über ihre Schalttemperatur erwärmt und uns angeschaut wie ausgeprägt die entsprechenden Schrumpfeffekte sind. Als wir schließlich ein hohes Maß an Kontrolle über das Materialverhalten erlangt hatten, haben wir auch größere Objekte in Form von Freihand-Türöffnern hergestellt. Diese lassen sich auf Türklinken aufschrumpfen.

Durch die Wahl des Materials, der Verarbeitungstemperatur und der Druckgeschwindigkeit können Sie das Schrumpfverhalten einstellen. Kann es dabei zu Abweichungen zu den festgelegten Werten kommen oder ist das Materialverhalten sehr genau bestimmbar?

Pretsch: In unserer Studie haben wir zwei Materialien näher untersucht. Dabei handelt es sich zum einen um ein thermoplastisches Polyurethan (TPU), das von uns selbst hergestellt worden ist. Das andere ist der marktverfügbare und in der additiven Fertigung weit verbreitete Biokunststoff Polymilchsäure (PLA). Wir haben bei dem TPU-Material ein sehr ausgeprägtes und gut reproduzierbares Schrumpfverhalten nachweisen können. In unseren Versuchsreihen haben wir uns mit den Druckparametern beschäftigt und untersucht wie sie sich auf das Materialverhalten konkret auswirken. Dazu haben wir vier Zentimeter lange, stäbchenförmige Proben jeweils aus TPU und aus PLA hergestellt und diese dann über ihre Schalttemperaturen erwärmt. Wir konnten zeigen, dass es zu Schrumpfungen kommt, die je nach Druckparameterwahl unterschiedlich stark ausgeprägt sind. In manchen Fällen treten auch Krümmungen auf. Im Zuge des Erwärmens setzen die Materialien demnach Spannungen frei, die zuvor mittels additiver Fertigung eingebracht worden sind. Damit lässt sich das Materialverhalten sehr gut kontrollieren, das heißt die Reproduzierbarkeit unserer Arbeitsergebnisse ist gut.

Was genau passiert während des Schrumpfens in den Materialien?

Pretsch: Mit dem Druckverfahren bringen wir in die Materialien Vorzugsorientierungen ein, die je nachdem welche Druckparameter man wählt unterschiedlich stark ausgeprägt sind. Dadurch, dass wir die Polymere sehr schnell unter ihre Glasübergangstemperaturen abkühlen, können wir Zustände höherer Ordnung in ihnen speichern. Später kommt es durch das Erwärmen zu einer entropisch getriebenen Formrückstellung, das heißt es wird ein Zustand, der durch ein höheres Maß an Unordnung gekennzeichnet ist, eingenommen. Polymere streben nach einem Maximum an Unordnung, letztendlich lässt sich der Schrumpfeffekt mit der sogenannten Entropieelastizität erklären.

Im Anwendungskontext "Türöffner" wird das Druckobjekt auf eine Türklinke aufgebracht und schließlich über die Schalttemperatur des Polymers erwärmt – das Material zieht sich zusammen. Das Abkühlen auf Raumtemperatur führt dann zu einer Verfestigung des Materials auf der Türklinke. So kann man einen recht guten Formschluss realisieren – unser Montagekonzept hat sich damit als tragfähig erwiesen.

Das Material kann recycelt und noch einmal als Filament verwendet werden. Was geschieht mit dem Material, wenn es nicht mehr für den 4D-Druck geeignet ist?

Pretsch: Wir haben hier gezeigt, dass sich Türöffner am Ende ihres Einsatzes durch Erwärmen über die Schalttemperatur rückstandsfrei von einer Türklinke entfernen lassen. Nach der Demontage lässt sich das Material mechanisch recyceln. Vorausgesetzt es finden keine starken Degradationseffekte oder Verschmutzung statt, dann kann dieselbe Anwendung erneut oder eine andere Anwendung adressiert werden. Letzteres entspricht unserem Grundgedanken einer branchenübergreifenden Kreislaufwirtschaft für funktionale Polymermaterialien.

Das Material kann also für die "normale" additive Fertigung weiterverwendet werden?

Pretsch: In der Tat lassen sich aus unserem TPU auch Objekte herstellen, die eben nur geringfügig auf Wärme reagieren, das heißt so gut wie kein thermoresponsives Materialverhalten aufweisen. Man kann das Material zum Beispiel im Sportartikelbereich in einer spezifischen Anwendung verwenden und es später in einer anderen Branche für eine andere Anwendung nutzbar machen. Gerade die additive Fertigung ist da sehr vielseitig. Auch hier gilt, dass man im Falle einer Wiederverwendung stets voraussetzen muss, dass das Material durch den vorherigen Einsatz noch nicht zu stark degradiert oder verunreinigt ist.

Wie kostenintensiv ist die 4D-Druck Technologie?

Pretsch: Die Bedingungen, um solche 4D-Druckobjekte herzustellen, unterscheiden sich nur geringfügig von denen, die dem klassischen Fused Filament Fabrication-Verfahren zugrundeliegen. Wir verwenden zum Beispiel eine geringere Düsentemperatur für die Verflüssigung des Filaments. Das kann einen gewissen energetischen Vorteil mit sich bringen. Hinzu kommt, dass die Notwendigkeit der Beheizung des Bauraums entfällt. Ein weiterer, nicht unwesentlicher Vorteil besteht darin, dass FFF-Drucker heute bereits weit verbreitet sind, so dass die Technologie von vielen Menschen genutzt werden kann.

Wie sieht die Zukunft der 4D-Fertigungstechnologie aus?

Pretsch: Eine Glaskugel habe ich nicht. Wenn wir uns aktuelle Marktstudien zum 4D-Druck anschauen, dann gehen diese von einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 30 bis 40+X% in den kommenden Jahren aus. Ich persönlich glaube an die Zukunft additiver Fertigungstechnologien. Selbstverständlich stehen wir von Fraunhofer gerne zur Seite, wenn es um das applikationsspezifische Maßschneidern von Polymermaterialien und die Nutzbarmachung neuer Technologien geht.

Welchen Nutzen können Sie sich für die Medizintechnik vorstellen?

Pretsch: Mit den aufschrumpfbaren Türöffnern haben wir uns Gedanken gemacht, wie wir einen kleinen Beitrag im Zusammenhang mit der Corona-Krise leisten können. Es war uns ein besonderes Anliegen, einen Weg vorzuschlagen, der dazu führen kann, dass die Menschen weniger Kontakt mit Türklinken haben. Einfach, indem man die Tür mit dem Ellenbogen öffnet und dadurch eben nicht die auf einer Klinke möglicherweise befindlichen Krankheitserreger anfasst. Das ist in meinen Augen gelungen. Vorausgesetzt, dass ähnliche Türklinken – wie wir sie in unseren Versuchen eingesetzt haben – zugegen sind, dann können unsere Türöffner schon bald in Krankenhäusern oder Pflegeheimen ihren Nutzen entfalten.