Onderzoekers van de Universiteit van Freiburg en de Universiteit van Stuttgart hebben een nieuw proces ontwikkeld voor het produceren van roerende, zelfinstellende materiaalsystemen met standaard 3D-printers. Deze systemen kunnen complexe vormveranderingen ondergaan, samentrekken en uitzetten onder invloed van vocht op een voorgeprogrammeerde manier. De wetenschappers hebben hun ontwikkeling gemodelleerd op basis van de bewegingsmechanismen van de klimplant die bekend staat als de luchtaardappel (Dioscorea bulbifera).

Met hun nieuwe methode het team heeft zijn eerste prototype gemaakt:een onderarmbrace die zich aanpast aan de drager en die verder kan worden ontwikkeld voor medische toepassingen. Dit proces is gezamenlijk ontwikkeld door Tiffany Cheng en Prof. Dr. Achim Menges van het Institute of Computational Design and Construction (ICD) en het Integrative Computational Design and Construction for Architecture Cluster of Excellence (IntCDC) aan de Universiteit van Stuttgart, samen met Prof. Dr. Thomas Speck van de Plant Biomechanics Group en de Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems Cluster of Excellence (livMatS) aan de Universiteit van Freiburg. De onderzoekers presenteren hun resultaten in het tijdschrift Geavanceerde wetenschap .

4D-printen definieert vormveranderingen

3D-printen heeft zich gevestigd als een productieproces voor een breed scala aan toepassingen. Het kan zelfs worden gebruikt om intelligente materialen en materiaalsystemen te produceren die na het printen in beweging blijven, autonoom van vorm veranderen door externe prikkels zoals licht, temperatuur of vochtigheid. Dit zogenaamde 4D-printen, waarin vooraf bepaalde vormveranderingen kunnen worden veroorzaakt door een stimulus, breidt de potentiële toepassingen van materiaalsystemen enorm uit. Deze vormveranderingen worden mogelijk gemaakt door de chemische samenstelling van de materialen, die bestaan ​​uit op stimuli reagerende polymeren. Echter, de printers en basismaterialen die worden gebruikt om dergelijke materiaalsystemen te produceren, zijn meestal zeer gespecialiseerd, op maat gemaakt en duur - tot nu toe.

Nutsvoorzieningen, met behulp van standaard 3D-printers, het is mogelijk om materiaalsystemen te produceren die reageren op veranderingen in vocht. Gezien hun structuur, deze materiaalsystemen kunnen vormveranderingen ondergaan in het hele systeem of gewoon in de afzonderlijke onderdelen. De onderzoekers van de universiteiten van Freiburg en Stuttgart combineerden meerdere zwellende en stabiliserende lagen om een ​​complex bewegingsmechanisme te realiseren:een oprolstructuur die strakker trekt door 'pockets' als drukkers uit te vouwen en die vanzelf weer los kan komen wanneer de 'pockets' loslaten en de opgerolde structuur keert terug naar de open toestand.

Natuurlijke bewegingsmechanismen overgebracht naar technische materiële systemen

Voor dit nieuwe proces de wetenschappers gebruikten een mechanisme uit de natuur:de luchtaardappel klimt in bomen door druk uit te oefenen op de stam van de waardplant. Om dit te doen, de plant slingert zich eerst losjes om een ​​boomstam. Dan ontspruit het 'stipules', basale uitgroeisels van de bladeren, die de ruimte tussen de kronkelende stengel en de waardplant vergroten. Hierdoor ontstaat er spanning in de kronkelende steel van de luchtaardappel. Om deze mechanismen te imiteren, de onderzoekers construeerden een modulair materiaalsysteem door de lagen zo te structureren dat het in verschillende richtingen en in verschillende mate kan buigen, daardoor oprollen en een helixstructuur vormen. 'Zakken' aan het oppervlak zorgen ervoor dat de helix naar buiten wordt geduwd en onder spanning komt te staan, waardoor het hele materiële systeem samentrekt.

"Tot dusver, ons proces is nog beperkt tot bestaande basismaterialen die reageren op vocht, " zegt Achim Menges. "We hopen, "Thomas Speck voegt eraan toe, "dat in de toekomst goedkope materialen die ook reageren op andere stimuli komen beschikbaar voor 3D-printen en kunnen worden gebruikt met ons proces."

Onderzoekers van de Universiteit van Freiburg's Living, Adaptieve en energie-autonome materiaalsystemen Cluster of Excellence (livMatS) ontwikkelen levensechte materiaalsystemen die zijn geïnspireerd door de natuur. Net als levende structuren passen ze zich autonoom aan verschillende omgevingsfactoren aan, halen schone energie uit hun omgeving en zijn ongevoelig voor schade of kunnen zichzelf genezen. Niettemin zullen deze materiaalsystemen puur technische objecten zijn, zodat ze met synthetische methoden kunnen worden geproduceerd en onder extreme omstandigheden kunnen worden ingezet.