Tensegrity: Forscher stellen komplexe Strukturen per 4D-Druck her

Ein kleines Päckchen, das sich unter Sonneneinstrahlung in ein großes, stabiles Bauteil verwandelt: US-Forscher haben ein Verfahren entwickelt, um komplexe Strukturen als Faltbausatz herzustellen. Es könnte in der Raumfahrt eingesetzt werden.

Artikel veröffentlicht am 21. Juni 2017, 16:04 Uhr, Werner Pluta

4D-gedruckte Tensegrity-Struktur: Die Streben können sich verheddern. (Bild: Rob Felt/Georgia Tech)

Komplexe Strukturen, geringes Gewicht und Packmaß: Forscher in den USA haben eine Methode entwickelt, um Objekte mit komplexen Formen herzustellen, die sich zusammenlegen lassen. Durch einen äußeren Stimulus wie Wärme nehmen die Gegenstände ihre eigentliche Form an.

Die Objekte, die die Forscher vom Georgia Institute of Technology (Georgia Tech) ersonnen haben, bestehen aus Streben aus einem Kunststoff mit Formgedächtnis (Shape Memory Polymer, SMP) und elastischen Kabeln, die beide mit dem 3D-Drucker aufgebaut werden. Die Streben sind hohl und haben an einer Seite der Länge nach eine schmale Öffnung. Das ermöglicht, dass sie gefaltet werden können. Die Streben sind über die Kabel miteinander verbunden.

Das gefaltete Objekt ergibt eine Tensegrity-Struktur

Wenn die Streben erhitzt werden, falten sie sich in die vorgesehene Form. Die behalten sie auch dann bei, wenn die Streben wieder abgekühlt werden. Sie bilden dann eine Tensegrity-Struktur. Das ist leichtes, aber stabiles Stabwerk, dessen Stäbe durch Zugelemente - in dem Fall die 3D-gedruckten Kabel - verbunden sind.

Damit die gefalteten Streben die vorgesehene Form einnehmen können, ist es wichtig, das Maß und die Geschwindigkeit des Entfaltens genau zu steuern. Das geht über die Temperatur, auf die die verschiedenen SMPs reagieren - darüber lässt sich regeln, wie schnell eine Strebe sich ausdehnt.

Die Ausdehnung wird über die Temperatur gesteuert

"Wenn man bei größeren und komplizierten Strukturen nicht den Ablauf steuert, wie sich diese Streben ausdehnen, verheddern sie sich, und es kommt ein Durcheinander heraus", sagt Glaucio Paulino. Über die Regelung der Temperatur lasse sich der Ablauf steuern und so das Durcheinander verhindern.

Ein solches Verfahren wird 4D-Druck genannt: Ein Objekt aus dem 3D-Drucker ändert unter bestimmten Bedingungen seine Form. Einer der Pioniere auf dem Gebiet ist Skylar Tibbits vom Massachusetts Institute of Technology (MIT). Seine 3D-gedruckten Objekte ändern ihre Form, wenn sie mit Wasser in Kontakt kommen. Auch die Forscher vom Georgia Tech um Jerry Qi befassen sich schon länger mit dieser Technik. Ihre aktuelle Entwicklung stellen sie in der Fachzeitschrift Scientific Reports vor.

Anwendungen für die Technik gebe es viele, sagen die Forscher. In der Raumfahrt beispielsweise: "Wir glauben, dass man eine Antenne bauen könnte, die zunächst komprimiert ist und wenig Platz einnimmt", sagt Qi. "Sobald sie aber erwärmt wird, beispielsweise durch die Wärme der Sonne, entfaltet sie sich zu voller Größe." Aber auch in der Medizin oder in der Robotik könnten solche Objekte eingesetzt werden.