Der 4D Zug steht bereit

4D-Druck gilt als next big thing und kündigt an: Das defekte Wasserrohr muss nicht mehr ausgegraben werden, sondern repariert sich selbst; smarte Kleidung wärmt oder kühlt je nach Lufttemperatur; die Kinderprothese wächst mit. Das ist bis jetzt noch Zukunftsmusik, doch die Schallwellen sind bereits hörbar – mit Cochlea-Implantaten, die sich von selbst in Form bringen.

[emaillocker id=1808]

Wenn Skylar Tibbits, Wissenschaftler am MIT (Massachusetts Institute of Technology) und Pionier des 4D-Drucks, die Befreiung von der körperlichen Mühsal des Baugewerbes demonstriert, sieht das so aus: Er legt einen Strang ins Wasser, eine Art Perlenkette aus unterschiedlich geformten Gliedern. Nach einigen Sekunden formt sich der Strang wie von Zauberhand zu einem Würfel. Ein anderer Strang faltet sich zum Schriftzug MIT. Nett, aber der grosse Wow-Effekt stellt sich nicht gerade ein. Natürlich hat der Wissenschaftler Bedeutenderes im Sinn – sich selbst errichtende Gebäude, Wasserrohre, die ihre Durchflussmenge selbsttätig steuern, auch der selbstentfaltende Ikea-Schrank sei denkbar. Will das schwedische Unternehmen seinen legendären Imbusschlüssel vielleicht auch deswegen abschaffen, weil Billy & Co. sich demnächst von alleine aufbauen?

Die 4. Dimension

4D-Druck ist zweifellos eine Innovation, aber ist er wirklich schon die nächste Revolution nach dem 3D-Druck (siehe ALPORA Insights on Innovation No 2 / 2016), die Disruption in der Bauindustrie oder doch nur die Illusion einiger begnadeter Forscher, die eher im Labor als auf der Baustelle zuhause sind?

Die vierte Dimension beim 4D-Druck ist die Zeit: 4D-Druck gleich 3D-Druck plus Zeit. Ein 4D-gedrucktes Objekt kann seine Form im Laufe der Zeit planmässig ändern. Das funktioniert im Prinzip wie beim 3D-Druck und mit den gleichen Geräten, allerdings mit anderen Materialien. Programmiertes Material kann sich nach der Zufuhr von Energie – z. B. Wärme, Bewegung, Wasser – in einen neuen, zuvor genau festgelegten Zustand transformieren.

So faszinierend und innovativ das auch sein mag: Was die Forscher können, kann die Natur schon lange. Jede Teerose entfaltet sich im Wasser, im Grunde jedes Samenkorn, sobald es auf die Erde fällt, die befruchtete Eizelle, die zum Menschen heranwächst. Also nahmen sich Forscher der Harvard Universität die Natur zum Vorbild („Biomimetik“) und konnten tatsächlich pflanzenähnliche Strukturen schaffen, die sich unter Einfluss von Wasser transformieren und zwar exakt nach Plan. Dazu entwickelten sie als Druckmaterial ein Gel, das Zellulose enthält, den Hauptbestandteil pflanzlicher Zellwände, und einen Algorithmus, mit dem sich die gewünschte Form berechnen lässt. Auf diese Weise brachten sie eine gedruckte „Orchidee“ zum Blühen, mit Hilfe von Wasser, fast wie echt. Biomimetischer 4D-Druck nennt sich das Verfahren, mit dem sich Objekte mit integrierten biologischen Funktionen herstellen lassen. Das könnte ein bedeutender Schritt in Richtung Tissue Engineering sein, eine Methode, um biologische Gewebe, Körperteile und ganze Organe nachzubilden.

Hoffnung für Patienten und Unternehmen

Ein potenzielles Ziel des biomimetischen 4D-Drucks ist vor allem der Einsatz in der Medizin. Weltweit arbeiten Forscher daran, Organe herzustellen, die sich dem Körper anpassen und beispielsweise bei Kindern mitwachsen können. Wissenschaftler am Laser Zentrum Hannover fertigen mit Hilfe von 4D-Druck massgefertigte Cochlea-Implantate: Einmal in die Hörschnecke eingesetzt, bringen sie sich selbst in Form und passen sich perfekt dem Träger an. Ein Forscherteam des Georgia Institute of Technology hat auf diese Weise neuartige Prothesen entwickelt, die Menschen helfen sollen, die duch Unfälle oder Kriege Gliedmassen verloren haben. Ärzten des Xijing Hospitals der Fourth Military Medical University in Xi’an ist es 2016 gelungen, einer Krebspatientin ein innovatives Brustimplantat einzusetzen, das es dem menschlichen Gewebe ermöglicht, hineinzuwachsen und es schließlich ganz zu ersetzen. Während Silikonimplantate die organische Brust vollständig ersetzen und nicht biologisch abbaubar sind bzw. sein dürfen, soll sich das Implantat der Zukunft im Laufe der Zeit vollständig auflösen, wenn das Brustgewebe nachgewachsen ist.

Wachsen soll jedoch nicht nur menschliches Gewebe, sondern auch der Umsatz in verschiedenen Industriebereichen. In naher Zukunft werde der 4D-Druck die Unternehmenslandschaft revolutionieren, prognostiziert das Beratungsunternehmen Frost & Sullivan. Die Experten gehen davon aus, dass neben dem Gesundheitsbereich auch die Branchen Luftfahrt, Militär und Automobil das neue Druckverfahren anwenden werden, gefolgt von weiteren Industrien. Der 4D-Druck sei herkömmlichen Produktionsmethoden in Bezug auf Leistung, Effizienz und Qualität weit überlegen und ermögliche die Herstellung neuer Produkte mit verbesserten Fähigkeiten, begründen die Berater. Dadurch beschleunigten sie den Prozess bei gleichzeitiger Verringerung des Arbeitsaufwandes.

Besser, kostengünstiger und schneller, lautet die These. Zunächst allerdings auch wesentlich teurer, wie bei jeder neuen Technologie. Die Investition in die Innovation soll sich jedoch langfristig rentieren, sobald das Verfahren als massentauglich gilt. Dann sinken die Kosten für den Einsatz von 4D-Druck und weitere Branchen werden auf den 4D-Zug aufspringen. Befeuert wird die Entwicklung vom günstigen Finanzierungsumfeld: Verbände, Forschungslabors, Universitäten, Unternehmen und andere Kapitalgeber stehen bereit, in die viel versprechende Technik zu investieren. Im Moment steht der 4D-Druck an der Schwelle zwischen Forschung und Entwicklung. Der Königsweg erfolgreicher, innovationsfreudiger Unternehmen beginnt mit dem Überschreiten der Schwelle.

[/emaillocker]