Sample Business Objective #1

Einführung

4D-Druck – Definition

Die Einführung der vierten Dimension in die 3D-Drucktechnologie wird als „4D-Druck“ bezeichnet. Mit dieser neuen Dimension besitzen 3D-gedruckte Objekte die Fähigkeit, ihre Form unter dem Einfluss externer Reize wie Licht, Wärme, Elektrizität, Magnetfeld usw. selbst zu verändern. Durch die Integration der zeitlichen Dimension ändern gedruckte Objekte ihre Form dynamisch je nach den Bedürfnissen und Anforderungen der jeweiligen Situation, ohne elektromechanische oder bewegliche Teile. Dieses Phänomen der Formveränderung von 3D-gedruckten Objekten beruht auf der Fähigkeit des Materials, sich im Laufe der Zeit als Reaktion auf bestimmte Reize zu verändern, und erfordert kein menschliches Eingreifen, um den Prozess zu unterstützen.

Entstehung des 4D-Drucks aus dem 3D-Druck

Der 3D-Druck, eine additive Fertigungstechnik, gilt als eine der bahnbrechendsten Innovationen im Bereich der modernen Fertigung. Er hat die Art und Weise, wie Teile/Komponenten und Geräte in der Industrie hergestellt werden, sowie deren Design und Entwicklung völlig verändert. Der 3D-Druck ermöglicht es Herstellern und Forschern, komplexe Formen und Strukturen zu entwickeln, die früher mit herkömmlichen Fertigungsmethoden als unmöglich galten. Die 3D-Drucktechnologie hat in den letzten drei Jahrzehnten kontinuierliche Fortschritte gemacht und sich drastisch weiterentwickelt. Trotz seiner Fähigkeit, komplexe, bio-inspirierte Designs aus mehreren Materialien zu erstellen, ist der 3D-Druck noch nicht bereit, in der Massenproduktion eingesetzt zu werden.

Der zunehmende Bedarf an flexiblen Objekten in verschiedenen Anwendungen, wie z. B. selbstfaltende Verpackungen, adaptive Windturbinen usw., hat die Entwicklung des 4D-Drucks vorangetrieben. Im Vergleich zum konventionellen 3D-Druck, bei dem Strukturen aus einem einzigen Material hergestellt werden, entwickeln die Forscher derzeit eine Metamaterialstruktur. Die Metamaterialstruktur wird durch die Kombination verschiedener Materialien erzeugt, die bei Aktivierung durch äußere Reize überlagerte strukturelle Reaktionen zeigen. Durch den kongruenten Druck verschiedener Materialien entsteht eine Materialanisotropie, die es dem Objekt ermöglicht, seine Struktur durch Biegen, Dehnen, Verdrehen und Wellen entlang seiner Achsen zu verändern. Die Forscher arbeiten daran, diese strukturellen Veränderungen zu erweitern, um Schließfächer, Hebevorrichtungen, Mikroröhren, weiche Roboter, Spielzeuge usw. herzustellen. Diese Fähigkeit von Objekten, ihre Struktur im Laufe der Zeit zu verändern, indem sie das Verhalten verschiedener Materialien nutzen, wird als 4D-Druck bezeichnet.

Die Hauptunterschiede zwischen 3D-Druck und 4D-Druck liegen in der Verwendung der zu druckenden Materialien und der Druckeinrichtung. Die nachstehenden Abbildungen 1 und 2 erläutern die Hauptunterschiede zwischen 3D- und 4D-Druck.

Materialien und Technologien für den 4D-Druck

Hauptforschungsbereiche

Da sich die 4D-Drucktechnologie noch im Anfangsstadium befindet, sind die dafür verwendeten Materialien minimal. Es wird jedoch erwartet, dass die Forschung und die Fortschritte beim 3D-Druck neue Möglichkeiten für den 4D-Druck bieten werden. Die primären Forschungsbereiche, die derzeit im Hinblick auf den 4D-Druck im Fokus stehen, sind in der nachstehenden Abbildung 3 dargestellt.

Smart Material ist einer der stark fokussierten Forschungsbereiche des 4D-Drucks, in dem der Verformungsmechanismus verschiedener Materialien entsprechend ihrer Reaktionen auf verschiedene externe Reize synthetisiert wird. Das Gerätedesign befasst sich mit der Entwicklung fortschrittlicher Druckertechnologien, mit denen mehrere Materialien kongruent gedruckt werden können. Gegenwärtig verwenden die Forscher für den 4D-Druck direkte Tintenstrahlhärtung, Fused Deposition Modeling, Stereolithographie, lasergestütztes Bioprinting und selektives Laserschmelzen. Die Forschung im Bereich der mathematischen Modellierung ist für das Verständnis der funktionellen Strukturen von 4D-gedruckten Objekten unerlässlich. Sie prognostiziert den durch Reize ausgelösten Verformungs- (vorwärts) und Formgebungsprozess (rückwärts) eines Objekts.

Materialauswahl

Materialien für den 4D-Druck werden auf der Grundlage ihrer Umgebung oder der äußeren Reize, auf die sie reagieren, klassifiziert. Die aktuellen Klassen intelligenter Materialien werden derzeit in die folgenden Kategorien eingeteilt:

Thermo-Responsive-Materialien

Diese Materialien arbeiten mit dem Mechanismus des Formgedächtniseffekts (SME). Sie werden unterteilt in Formgedächtnislegierungen (SMA), Formgedächtnispolymere (SMP), Formgedächtnishybride (SMH), Formgedächtniskeramiken (SMC) und Formgedächtnisgele (SMG). Die meisten Forscher bevorzugen SMP, da sich diese Materialien leicht bedrucken lassen. Sie formen und verformen sich, wenn Wärme oder thermische Energie als Stimulus angewendet wird.

Feuchtigkeitsempfindliche Materialien

Materialien, die bei Kontakt mit Wasser oder Feuchtigkeit reagieren, werden in diese Kategorie eingeordnet. Solche Materialien werden von Forschern weithin bevorzugt, da Wasser in Hülle und Fülle vorhanden ist und in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden kann. Das Hydrogel ist eines der intelligenten Materialien, die unter diese Kategorie fallen, da es stark mit Wasser reagiert. Hydrogele können beispielsweise ihre Größe um bis zu 200 % ihres ursprünglichen Volumens vergrößern, wenn sie mit Wasser in Berührung kommen.

Foto-/Elektro-/Magneto-empfindliche Materialien

Diese Materialien reagieren auf Licht, Strom und Magnetfelder. Wenn zum Beispiel lichtempfindliche Chromophore an bestimmten Stellen in Polymergels eingearbeitet werden, quellen sie auf und absorbieren Licht, wenn sie natürlichem Licht ausgesetzt werden. Ähnlich verhält es sich, wenn Strom an ein Objekt angelegt wird, das Ethanol enthält, das verdampft und dadurch sein Volumen vergrößert und die Gesamtmatrix erweitert. Magnetische Nanopartikel werden in das gedruckte Objekt eingebettet, um die magnetische Kontrolle über das Objekt zu erlangen.

Anwendungen des 4D-Drucks

Die Idee des vorprogrammierten intelligenten Objekts (das mit intelligenten Materialien hergestellt wird) scheint in verschiedenen Branchen zahlreiche Anwendungen zu haben. Da es sich jedoch um eine neuartige Technologie handelt, befinden sich die meisten Anwendungen derzeit noch in der Entwicklungsphase der Forschung &. Es wird erwartet, dass die wichtigsten Endanwendungen der 4D-Drucktechnologie im Gesundheitswesen, in der Automobilindustrie, in der Luft- und Raumfahrt und in der Konsumgüterindustrie entstehen werden. Es wird jedoch davon ausgegangen, dass sich das Potenzial des 4D-Drucks in naher Zukunft auch auf andere Branchen wie Elektronik, Bauwesen, Industrie usw. auswirken wird.

Einige der aktuellen Forschungsarbeiten im Bereich des 4D-Drucks sind in der nachstehenden Abbildung 5 dargestellt.

Das von BMW in Zusammenarbeit mit dem MIT entwickelte selbstaufblasbare Material (wie in der obigen Tabelle dargestellt) hat das Interesse mehrerer Experten geweckt. Das aus Silikon bestehende Material bläst sich auf, wenn es durch Luftimpulse ausgelöst wird, und könnte die Zukunft der Pneumatik sein. Abgesehen von den oben genannten Beispielen gibt es eine Reihe weiterer Forschungs & und Entwicklungsaktivitäten, die von wichtigen Akteuren der 4D-Druckindustrie durchgeführt werden. Zu den Anwendungen im Gesundheitswesen gehören beispielsweise die gezielte Verabreichung von Medikamenten, die Herstellung von Stents für minimale chirurgische Eingriffe, die Entwicklung von formveränderlichen Schienen usw. Die Entwicklung von „Soft Robotics“ und „hydraulischen und pneumatischen Aktuatoren“ sind einige der wichtigsten Anwendungen in diesem Industriebereich. Der Bau von selbstheilenden Straßen und Brücken könnte eine potenzielle Anwendung in der Bauindustrie sein.

Die folgende Abbildung 6 erläutert den möglichen zeitlichen Ablauf der Auswirkungen des 4D-Drucks auf verschiedene Anwendungen in verschiedenen Branchen.

Technologischer Reifegrad des 4D-Drucks

Die folgende Abbildung 7 zeigt die derzeitige Phase der technologischen Entwicklungen im 4D-Druck. Da sich die Technologie in der Phase des Innovationsauslösers befindet, hat sie sicherlich einen großen Hype ausgelöst; es wird jedoch noch mehr als 10 Jahre dauern, bis sie das Plateau der Produktivität erreicht.

Der Hype-Zyklus zeigt auch, dass sich mehrere Fortschritte im 3D-Druck noch in der Phase des Innovationsauslösers und der überhöhten Erwartungen des Lebenszyklus befinden. Dies bedeutet, dass der 3D-Druck noch einen langen Weg vor sich hat und dass der 4D-Druck als Nachfolger des 3D-Drucks nur langsam voranschreiten könnte. Es ist jedoch nicht zwingend erforderlich, dass die Fortschritte im 4D-Druck immer dem 3D-Druck folgen müssen. Abgesehen von den Fähigkeiten eines 3D-Druckers (der in der Lage ist, mehrere Materialien kongruent zu drucken und auf mehreren Achsen zu drucken) sind andere Forschungsbereiche, die sich mit intelligenten Materialien und mathematischer Modellierung befassen, nicht unbedingt vom 3D-Druck abhängig.

Abschluss – Chancen und Herausforderungen

Einige Forschungs- und Entwicklungsprojekte, die sich speziell mit dem 4D-Druck befassen, laufen in Branchen wie dem Gesundheitswesen, der Elektronik, der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt und der Verteidigung, der Konsumgüterindustrie (Mode und Gebrauchsgüter), der Textilindustrie, dem Baugewerbe und dem Maschinenbau. Obwohl es sich um eine neue Technologie handelt, sind die potenziellen Möglichkeiten des 4D-Drucks enorm und werden von mehreren Experten auf diesem Gebiet anerkannt.

Der Markt für den 4D-Druck beginnt sich aufgrund zahlreicher Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten zu etablieren. Die Meinungen über das Marktwachstum sind unter den Experten unterschiedlich. Die optimistische Sichtweise der Technologie legt nahe, dass der Markt mit einer CAGR von etwa 33 % wachsen wird (ein geschätzter Anstieg der Marktgröße von 35 Mio. USD im Jahr 2019 auf 200 Mio. USD im Jahr 2025). Da es sich jedoch um eine neuartige Technologie handelt, die noch in den Kinderschuhen steckt, prognostiziert FutureBridge, dass der Markt für den 4D-Druck bis 2025 mit einer etwas langsameren Rate von 20 % wachsen wird (siehe Abbildung 8).

Trotz der vielversprechenden Technologie muss der 4D-Druck noch einige technologische Hürden überwinden, bevor er auf breiter Basis eingesetzt werden kann. Zu den größten Herausforderungen in der Druckindustrie gehören die mangelnde Fähigkeit, Stützstrukturen für komplexe Objekte bereitzustellen, das Fehlen von Multi-Material-Druckern, das Fehlen von kostengünstigen Druckern und intelligenten Materialien, die langsamen Druckzeiten und die begrenzte Zuverlässigkeit der gedruckten Objekte auf lange Sicht. Obwohl es bestimmte Fortschritte in der Drucktechnologie gibt, wie z. B. 5-Achsen-Druckgeräte, die das Problem der Herstellung von Stützstrukturen für komplizierte innere Strukturen beseitigen dürften, bleiben andere Herausforderungen bestehen.

Außerdem sind Herausforderungen wie langsame und ungenaue Betätigung, fehlende Kontrolle über Zwischenzustände der Verformung und begrenzte Materialverfügbarkeit weitere Gründe für die verzögerte Annahme der 4D-Drucktechnologie. In Anbetracht des Interesses der Hersteller und der hohen Intensität der Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten im Bereich des 4D-Drucks könnte die Technologie jedoch einen exponentiellen Sprung machen, und zwar schneller als vorhergesagt. Schließlich sollten Hersteller, die bei technologischen Veränderungen und Fortschritten an vorderster Front stehen wollen, mit den technologischen Fortschritten und potenziellen Auswirkungen des 4D-Drucks Schritt halten.