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.

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.

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