Ent­wick­lung bio­in­spi­rier­ter und selbst­for­men­der Orthe­sen per 4D-Druck

T. Cheng, M. Thie­len, S. Pop­pinga, Y. Tahouni, D. Wood, Th. Stein­berg, A. Men­ges, Th. Speck
Unter dem Begriff „4D-Druck“ ver­steht man 3D-Druck­ver­fah­ren, bei denen sich die erzeug­ten Werk­stü­cke noch nach dem eigent­li­chen Druck­ver­fah­ren durch exter­ne Sti­mu­li wie Tem­pe­ra­tur oder Feuch­tig­keit kon­trol­liert ver­for­men. Die vier­te Dimen­si­on ist somit die Zeit bis zum Errei­chen einer spä­te­ren Gestalt. In die­sem Arti­kel wird ein Ansatz zur Mate­ri­al­pro­gram­mie­rung für selbst­for­men­de Mate­ri­al­sys­te­me auf der Grund­la­ge bio­lo­gi­scher Vor­bil­der vor­ge­stellt, die per 4D-Druck erstellt wer­den. Der Ansatz basiert auf einem Berech­nungs­mo­dell zur Bestim­mung mecha­ni­scher Eigen­schaf­ten und zur Gestal­tung von Form­än­de­run­gen. Mit Hil­fe des 3D-Drucks wer­den mit­tels Extru­si­on die gewünsch­ten Eigen­schaf­ten und Ver­hal­tens­wei­sen in einem Mul­ti-Mate­ri­al- und Mul­ti-Lay­er-Sys­tem kodiert, das auf der Meso­ska­la mit einer maxi­ma­len Auf­lö­sung von 0,5 mm struk­tu­riert ist.
Die Metho­dik wur­de anhand einer Fall­stu­die zum bio­mime­ti­schen Design eva­lu­iert. Hier­bei wur­de die Haft­stra­te­gie einer sich win­den­den Klet­ter­pflan­ze, der Luft­kar­tof­fel (Dio­scorea bul­bi­fera), die auf der Gene­rie­rung von Anpress­kräf­ten beruht, abs­tra­hiert und auf eine durch 4D-Druck her­ge­stell­te Orthe­se über­tra­gen. Die von den bio­in­spi­rier­ten Mecha­nis­men erzeug­ten Anpress­kräf­te wur­den anschlie­ßend mit Sen­so­ren gemessen.
Schließ­lich wur­den die pro­gram­mier­ten auf Selbst­span­nung beru­hen­den Anpress­kräf­te und die inte­grier­te Mul­ti­funk­tio­na­li­tät in eine Rei­he pro­to­ty­pi­scher Hand­ge­lenk-Unter­arm-Schie­nen in Form von Demons­tra­to­ren über­tra­gen – ein gän­gi­ges ortho­pä­di­sches Hilfs­mit­tel für die Stel­lungs­kor­rek­tur oder Ent­las­tung die­ses Kör­per­ab­schnitts. Die aus dem vor­ge­stell­ten Design­an­satz resul­tie­ren­den per 4D-Druck ent­stan­de­nen Mate­ri­al­sys­te­me unter­strei­chen die Vor­tei­le der Über­tra­gung bio­mime­ti­scher Prin­zi­pi­en auf ortho­pä­di­sche Hilfs­mit­tel und dar­über hinaus.