Jak 4D tisk naruší naše současné výrobní postupy?

Tento 3D tištěný objekt postupně mění tvar vlivem vnějších faktorů. Jinými slovy se jedná o 4D tištěný objekt | Kredity: Jak funguje 4D tisk?

4D tisk je silně inspirován principem samosestavování, což není nový koncept. Pravděpodobně jste již slyšeli o samoskladbě molekul, kdy molekuly vytvářejí složité struktury bez jakéhokoli zásahu člověka. Koncept hojně využívaný například i v nanotechnologiích. 4D tisk tedy posouvá tento princip na další úroveň. Když je možné, aby se malé struktury v mikroskopickém měřítku samy sestavovaly a pohybovaly, proč si to nepředstavit na větších 3D tištěných objektech?“

Zatímco 3D tiskem vznikají objekty, které si zachovávají svůj pevný tvar, 4D tiskem se změní nejen jejich tvar, ale také barva, velikost, způsob pohybu atd. Používá materiály, v průmyslu označované jako „inteligentní“, které byly naprogramovány tak, aby měnily tvar pod vlivem vnějšího faktoru, nejčastěji teploty, podobně jako když počítač poslouchá kód. Tento „kód“ je tedy přidán do materiálu a poskytuje instrukce 3D tištěnému dílu. Bastien E. Rapp, prezident technologické laboratoře NeptunLab, vysvětluje: „4D tisk je funkční formou 3D tisku. Místo toho, abychom tiskli pouze fyzické struktury, můžeme nyní tisknout funkce. Je to jako vložit do materiálu kus kódu – po spuštění udělá to, co jste mu naprogramovali.“

Materiály a technologie 4D tisku

Materiály pro 4D tisk nejsou tak rozmanité jako materiály pro aditivní výrobu, protože tato technologie je stále v plenkách, ale je důležité poznamenat, že existují různé. Začněme polymery s tvarovou pamětí (SMP), což jsou materiály, které jsou schopny uchovat makroskopický tvar, uchovat jej po určitou dobu a působením tepla se vrátit do původního tvaru, aniž by došlo k jakékoliv zbytkové deformaci. Přeměnu mohou způsobit i jiné nepřímé podněty: magnetické pole, elektrické pole nebo ponoření do vody.

Dalším materiálem pro 4D tisk jsou elastomery z tekutých krystalů (LCE), které, jak jejich název napovídá, obsahují tekuté krystaly citlivé na teplo. Ovládáním jejich orientace je možné naprogramovat požadovaný tvar. Působením teploty se materiál rozpíná a transformuje podle nadiktovaného kódu. Třetím materiálem jsou hydrogely, jedná se o polymerní řetězce složené převážně z vody, používané zejména v procesech fotopolymerizace. Pro svou biokompatibilitu jsou velmi zajímavé pro lékařský sektor.

Některé procesy 4D tisku využívají více materiálů. Jedná se především o kompozity, které se přidávají k SMP nebo hydrogelům, jako jsou uhlíková nebo dřevěná vlákna. Laboratoř MIT Self-Assembly Lab zahájila svůj výzkum v oblasti 4D tisku ze stroje Stratasys Connex, který je založen na principu materiálového tryskání, což je vícemateriálový proces. Samozřejmě existují i další materiály pro 4D tisk, jako je například keramika, ale my jsme se rozhodli zaměřit na ty hlavní.

Kredity: Samostatná laboratoř

V neposlední řadě celý proces 4D tisku spočívá v materiálu. Je proto nutné pochopit, jak bude reagovat na určité podněty. Bastien E. Rapp vysvětluje, že „pro usnadnění 4D tisku je nutná velmi dobrá znalost materiálů“. Po jejich dobrém zapracování můžeme využívat různé technologie 3D tisku: stereolitografii, tryskání materiálu (pro všechny vícemateriály), výrobu z tavených vláken (práce s polymery). Nejčastěji se používá vylepšená 3D tiskárna, která je schopna zohlednit 4. rozměr. Bastien E. Rapp pokračuje: „V závislosti na složitosti 4. rozměru to může být stejně snadné jako paralelní tisk dvou materiálů. To může zahrnovat i zahřívání nebo chlazení materiálu během výrobního procesu. Existuje mnoho metod, z nichž všechny vyžadují specifické podmínky.“

Aplikace 4D tisku

Protože je možné inteligentní materiál naprogramovat podle přání, může se zdát, že aplikace 4D tisku jsou poměrně rozsáhlé. Představte si objekt, který na sebe může vzít jakoukoli podobu: technologie pak může mít dopad na stavebnictví a umožnit stavbu konstrukcí, které se přizpůsobí klimatickým podmínkám, spotřební zboží by se mohlo přizpůsobit potřebám lidí, nebo dokonce ve zdravotnictví atd. Jedním z prvních nápadů Skylara Tibbitse bylo využít 4D tisk k výrobě inteligentních trubek. Tyto trubky by byly schopny měnit tvar podle objemu vody, kterou obsahují, ale také při výskytu nějakého jevu v podzemí. Tím by se předešlo jejich vykopání a výměně, což je časově náročný a velmi nákladný proces.

Jedním z odvětví, které má o 4D tisk největší zájem, je bezpochyby zdravotnictví. 4D tisk by mohl umožnit vytváření inteligentních a škálovatelných zařízení na míru. Například díky 4D tisku implantátu by bylo možné snadněji kontrolovat jeho stav a životaschopnost po integraci pacientem. Totéž platí pro veškerou regenerativní medicínu a výrobu buněčných struktur. Díky 4D tisku by se buňky mohly například přizpůsobit lidskému tělu podle jeho teploty. Chloé Devillardová, která v současné době připravuje svou diplomovou práci na 3d.FAB, nám to vysvětlila: „Pracujeme s 4D tiskem pro aplikace v tkáňovém inženýrství a regenerativní medicíně s cílem opravit živé organismy. Konkrétně jej používám k reprodukci cévy, která se z hlediska fyziologie, funkce a mechaniky co nejvíce blíží realitě. Můžeme vytvářet konstrukce, které se co nejvíce podobají živým organismům.“

3d.Fab v současné době pracuje na projektech 4D tisku pro vytváření krevních cév | Credits: 3d.Fab

Nakonec si představte 4D tištěný lék, který by mohl uvolňovat svou látku v závislosti na tělesné teplotě pacienta. Jedná se o jeden z výzkumných projektů doktora Fanga na MIT, vysvětluje: „Chceme využít tělesnou teplotu jako spouštěč. Pokud se nám podaří správně navrhnout polymery, možná budeme schopni vytvořit zařízení pro podávání léků, které bude uvolňovat lék pouze v případě, že se objeví horečka.“

O 4D tisk se zajímá také dopravní sektor v širokém slova smyslu, ať už v automobilovém nebo leteckém průmyslu. V roce 2018 jsme vás informovali o nafukovacím materiálu, který byl vyvinut společností BMW a MIT, měnil tvar a velikost působením vzduchových pulzů. Zajímavý materiál pro konstrukci budoucích pneumatik, které se například dokážou samy opravit v případě defektu nebo se přizpůsobit nejextrémnějším povětrnostním podmínkám. Kromě automobilů můžeme hovořit také o letadlech. Součástka vytištěná 4D tiskem by mohla reagovat na změny atmosférického tlaku nebo teploty, a tedy měnit svou funkci – na této problematice v současné době pracuje společnost Airbus. Letecký gigant vysvětluje, že tyto komponenty by mohly nahradit panty, hydraulické pohony a výrazně tak snížit hmotnost těchto zařízení.

Představte si stoličku, která se sama skládá a rozkládá | Credits: 4D tisk je konečně více než zajímavý pro všechny aplikace, které vyžadují vysokou míru přizpůsobení, protože je možné naprogramovat materiál podle našich potřeb. V této fázi se tento koncept může zdát zvláštní, ale lze si představit oblečení, které získá skutečný tvar našeho těla, nábytek, který se skládá a rozkládá, aby se ušetřilo místo, atd.

Budoucnost 4D tisku

Ačkoli je tato technologie plná příslibů, má stále mnoho omezení: jaká je skutečná odolnost inteligentních materiálů v čase? Budou i v dlouhodobém horizontu schopny plnit své úkoly? Mnoho společností tento výrobní proces stále testuje a jen málo z nich oznámilo své výsledky. Bastien E. Rapp nám řekl, že 4D tisk vyžaduje určité množství velmi technických znalostí, což znesnadňuje jeho demokratizaci v takové míře jako u aditivní výroby. „Vzhledem k tomu, že se jedná o poměrně složitou problematiku, která vyžaduje velmi dobrou kontrolu materiálů a výroby, nemusí se stát tak široce dostupnou a přístupnou jako samotný 3D tisk. Přesto však bude mít na průmysl významný dopad.“

BMW vytisklo 4D silikonový materiál, který se dokáže sám nafouknout: je to budoucnost pneumatiky?“