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Das Material macht die Arbeit: Carl de Smet hat einen Stuhl aus "Shape Memory Polymeren" entwickelt, der sich durch Hitze selbst entfaltet.
© Noumenon
Das Material macht die Arbeit: Carl de Smet hat einen Stuhl aus "Shape Memory Polymeren" entwickelt, der sich durch Hitze selbst entfaltet.

Stylepark x Interzum
Ein Stuhl packt aus

Von programmiertem Holz über blühende Oberflächen bis zum sich selbst zusammenbauenden Möbelstück: Der 4D-Druck verheißt geradezu magische Potenziale.
von Franziska Eidner | 08.05.2017

Spätestens seit das Verfahren im letzten Jahr erstmals Erwähnung im „Gartner-Cycle for Emerging Technologies“, einer Art Trendbarometer für den IT-Sektor, fand, gilt 4D-Druck als „next big thing“. Nicht nur am "Self Assembly Lab" des Massachusetts Institute of Technology (MIT), dessen Leiter Skylar Tibbits als Erfinder des 4D-Drucks gilt, wird daran gearbeitet. Auch in Singapur, Hannover und Stuttgart drucken Forschergruppen in der vierten Dimension. Aber was genau verbirgt sich dahinter? Und welche Anwendungspotenziale für die Architektur und das Design eröffnen sich damit?

Veränderung als Programm

Die vierte Dimension kommt erst nach dem eigentlichen Druckverfahren ins Spiel und steht für den Faktor Zeit. Beim 4D-Druck entstehen mit Hilfe des 3D-Druckers Objekte, die unter dem Einfluss von Wasser, Temperatur, Licht oder Magnetfeldern ihre äußere Erscheinung oder Funktionalität verändern: Sie beginnen sich quasi aus sich selbst heraus zu entfalten, zu biegen oder zusammenzuklappen. Das Potenzial zur Veränderung wird ihnen mit einem bestimmten Material „eingedruckt“.

Mit "Shape-Memory-Effekt": Durch Polymere, die auf äußere Einflüsse wie Hitze oder Feuchtigkeit reagieren, verändern sich 3D-gedruckte Objekte im Nachhinein von selbst wie das Projekt "wachsendes Gitter" zeigt, für die Singapore University of Technology and Design, das Georgia Institute of Technology, die Xi 'An Jiaotong Universität und die Zhejiang Universität zusammengearbeitet haben.

Das ist möglich, weil im 3D-Druck-Verfahren verschiedene Materialschichten zusammengesetzt werden, die diese nachträgliche Transformation des Objektes erlauben. Das magische Potenzial des 4D-Drucks liegt vor allem in den Kombinationsmöglichkeiten und der Transformationsfähigkeit der eingesetzten Materialien. Das Interesse der Forscher gilt der maßgeschneiderten „Programmierbarkeit“ der Form- oder Funktionsveränderung. Mit Hilfe des 3D-Druckers lassen sich zum Beispiel Formgedächtnis-Kunststoffe, die jeweils unterschiedliche mechanische Eigenschaften haben, in einem Objekt kombinieren. Weil sie mit unterschiedlicher Geschwindigkeit zum Beispiel auf Wärme reagieren, können so bestimmte Bewegungsabfolgen beziehungsweise Formveränderungen vorgegeben, also programmiert werden.

4D-Druck in vollster Blüte

Eindrucksvoll illustrieren das die jüngsten Studienergebnisse einer Forschergruppe des Georgia Tech Institute of Technology der Singapore University of Technology and Design und der Zhejiang University. Sie demonstrieren anhand von Gitterstrukturen oder Blütenobjekten, für die steife, „gedächtnislose“ Kunststoffe mit Formgedächtnis-Polymeren kombiniert werden, wie sich 4D-Objekte bei unterschiedlichen Temperaturen zusammen- oder auseinanderfalten können.

Die Natur macht's vor: Die Forscher des Wyss Institutes der Harvard University drucken aus einem Hydrogel-Naturfaser-Komposit Blüten, die sich bei Kontakt mit Wasser in eine genau ausgerechnete Form verändern.

Einen ähnlich beeindruckenden Effekt erzielten Forscher des Wyss Institute der Harvard University durch ein Hydrogel-Komposit mit Zellulosefaseranteilen. Beim Kontakt mit Wasser wächst hier aus einem flachen Objekt eine Orchideenblüte. Zunutze machen sich die Forscher die Eigenschaften von Naturfasern, deren Anschwellen im Wasser mithilfe eines komplexen mathematischen Modells genau berechnet und so die spätere Verformung im 3D-Druck-Verfahren injiziert werden kann.    

The Big Picture

4D-Druck kombiniert also die Möglichkeiten additiver, computergestützter Fertigung mit den dynamischen Eigenschaften von so genannten programmierbaren Materialien, Hydrogelen und Formgedächtnis-Kunststoffen. Das könnte zukünftig Produktions-, Verpackungs-, Transport- und Betriebskosten sparen und einzelne Komponenten eines Produktes oder Systems, etwa den Einsatz zusätzlicher Elektronik, obsolet machen. Zum anderen könnten so Bauteile oder Implantate entstehen, die sich individuell einpassen oder optimal äußeren Einflüssen anpassen lassen.

„An Formgedächtnis-Kunststoffen, Legierungen oder Hydrogelen wird nicht erst gearbeitet, seit Skylar Tibbits vom MIT den Begriff 2013 erfunden und öffentlichkeitswirksam auf TED-Konferenzen platziert hat“, sagt der Berliner Materialexperte Sascha Peters. „Aber der Einsatz dieser Materialien im 3D-Druck ist neu. Tibbits ist es mit seinem "Self Assembly Lab" gelungen, weltweite Aufmerksamkeit und ein eingängiges Marketing-Label für ein komplexes Forschungsgebiet zu kreieren. Mit 4D-Druck werden große Visionen verbunden, auch wenn die Marktreife und die konkrete Anwendung insbesondere im Bereich der Interieurgestaltung oder der Architektur sicherlich noch mindestens zehn Jahre dauern wird.“

Peters sieht vor allem in der Automobilindustrie, in der Luft- und Raumfahrttechnik aber auch in der Medizin die größten Anwendungspotenziale. Hier bestehen auch bereits konkrete Kooperationen – so arbeitet das "Self Assembly Lab" unter anderen an formverändernden Karosserieteilen aus programmierbaren Materialien oder Tragflächen aus Carbonfasern, die sich je nach Wettereinfluss verformen. Das Laserzentrum Nord in Hannover hat im 3D-Druck-Verfahren ein "Cochlea"-Implantat aus Formgedächtnislegierungen hergestellt, das sich erst nach Einsatz im Ohr unter Einfluss der Körpertemperatur in seine endgültige Form ausdehnt.

Bewegter Baum: Das Self Assembly Lab/MIT hat zusammen mit dem Institute for Computational Design der Universität Stuttgart ein Holz-Furnier gedruckt, das sich selbstständig und kontrolliert verändern kann.

Spannend für Architekten und Gestalter sind die Studien mit programmierbarem Holzgranulat, die das Self Assembly Lab gemeinsam mit dem Stuttgarter Institute for Computional Design (ICD) und dem Schweizer Designer Christophe Guberan durchgeführt hat. Bereits vor einigen Jahren hat sich das ICD vom Verhalten von Tannenzapfen inspirieren lassen. Im vom ICD entwickelten metrosensitiven „HygroSkin-Pavillon“ sorgte ein Holzfurnier mit natürlichen Mitteln für die an unterschiedliche Wetterverhältnisse angepasste Klimatisierung. In der Formgebung ist man mit dem Holzverbund-Furnier allerdings durch die natürlichen Gegebenheiten des Holzes eingeschränkt. Weitaus mehr Variationsmöglichkeiten bieten die Elemente, die das ICD gemeinsam mit dem MIT im 3D-Druck aus einem eigens entwickelten, programmierbaren Holzgranulat hergestellt hat.

Mit ihrer „Active Woods Products“-Reihe verweisen die Forscher aber auch auf weitere Einsatzmöglichkeiten für Holz-Designobjekte. Der arbeits- und zeitintensive Prozess traditioneller Holzbiege-Dampfverfahren könnte damit zukünftig überflüssig werden. Denkbar ist nach Meinung der Forscher, dass mit dem 3D-Drucker aus dem programmierbaren Holzgranulat Objekte flach ausgedruckt, versandt und erst zuhause – durch Einwirkung von Feuchtigkeit – ihre endgültige, komplexe Form annehmen.

Smartes Holz aus dem Drucker

Auf ähnliche Anwendungsszenarien zielen andere Studien des "Self Assembly Labs" wie der „Programmable Table“, ein sich selbst entfaltender Tisch mit smarten, vorgespannten Textilien, und der sich selbst aufbauende Stuhl, der unter dem Titel „Fluid Assembly: Chair Test“ gemeinsam mit dem Molekularbiologen Arthur Olson entwickelt wurde. Allerdings scheint dieses Szenario nur für Leute mit eigenem Swimmingpool wirklich attraktiv – bedürfte es hier doch einiger Mengen an Wasser, damit sich das Stuhlobjekt selbst zusammenbaut.

Auto-Designed: So wie dieser Faden sich im Wasserbad selbst zusammenbiegt, so könnten es auch Möbel tun, wenn man sie zuhause auspackt – meinen die Forscher des Self-Assembly Lab/MIT, die für das Projekt "4D Printing: Multi-Material Shape Change" mit den Unternehmen Stratasys und Autodesk kooperiert haben.

Der belgische Designer Carl de Smet bietet da mit seinen „Popcorn-Möbeln“,  mit denen er bereits 2013 auf dem Salone del Mobile in Mailand Furore machte, eine praktikablere Alternative. Seine Sitzmöbel aus einem von ihm entwickelten Formgedächtnis-Kunstschaum mit Selbstmontage-Effekt reagieren auf die Zufuhr von Wärme und könnten vielleicht sogar mit einem Fön in die richtige Form gebracht werden. Am Markt sind sie allerdings noch nicht zu haben. Seine ersten Sesselprototypen hat de Smet noch im Spritzgussverfahren produziert – aktuell arbeitet er an druckbarem Schaumstoff.

Materialexperte Sascha Peters sieht aber weniger im Druck kompletter Möbelstücke die größten Anwendungspotenziale für 4D im Interieur-Bereich. Er verweist vor allem auf Oberflächenbeschichtungen – Folien etwa, aus denen sich nach dem Druck dreidimensionale Muster entwickeln. Was der Markt aktuell an 3D-Oberflächen zu bieten hat, kann man auf der Kölner Interzum in Halle 10.2. auf der Sonderfläche „Digital 3D Surfaces“ entdecken.


Interzum
Weltleitmesse für Möbelfertigung und Innenausbau
Koelnmesse, Köln
16. - 19. Mai 2017

Selbstmontage-Effekt: Der "Popcorn-Stuhl" aus einem "Shape Memory Polymer" des belgischen Designers Carl de Smet entfaltet sich von selbst.
Von Tannenzapfen inspiriert: Der vom ICD entwickelte „HygroSkin-Pavillon“ passt sich mittels metrosensitiver Holzfurniere an unterschiedliche Wetterverhältnisse an.