Hvordan vil 4D-printing forstyrre vores nuværende produktionsteknikker?

I april 2013 var Skylar Tibbits, grundlægger af MIT Self-Assembly Lab, vært for en TEDx-konference, hvor han introducerede et nyt koncept til 3D-printprocessen. For første gang introducerede han en fjerde dimension til denne teknologi, som allerede var ved at forstyrre mange sektorer. Han forklarede, at 4D-printing var som at tilføje en ny egenskab til et materiale, der skulle bruges til 3D-printing, mere præcist var det materialets evne til at transformere sig over tid. Takket være 4D-printning kan et materiale faktisk ændre form af sig selv, uden menneskelig indgriben, men blot under påvirkning af eksterne faktorer som lys, varme, vibrationer osv.

Siden da har 4D-printning tiltrukket sig interesse fra mange industrier, der ser et stort potentiale for tilpasning af udstyr og strukturer. Ifølge Gartner-rapporten for 2019 er interessen for 4D-printing stigende. Inden 2023 skulle nystartede virksomheder, der fokuserer på denne teknologi, tiltrække 300 millioner dollars i venturekapital. Så uundgåeligt, konfronteret med denne observation, spørger vi os selv, hvad fremtiden for 4D-printing vil være. Vil den erstatte additiv fremstilling for nogle applikationer? Hvad vil dens indvirkning på industrien være?

Dette 3D-printede objekt ændrer gradvist form på grund af eksterne faktorer. Med andre ord er det et 4D-printet objekt | Credits:

Hvordan fungerer 4D-printning?

4D-printning er stærkt inspireret af princippet om selvassemblering, som ikke er et nyt koncept. Du har sikkert hørt om molekylær selvmontering, hvor molekyler danner komplekse strukturer uden nogen menneskelig indgriben. Et koncept, der også anvendes i vid udstrækning inden for nanoteknologi, f.eks. 4D-printning tager derfor dette princip op til det næste niveau. Hvis det er muligt for små strukturer på mikroskopisk skala at samle og bevæge sig af sig selv, hvorfor så ikke forestille sig det på større 3D-printede objekter?

Mens 3D-printing producerer objekter, der beholder deres faste form, vil 4D-printing ændre deres form, men også deres farve, størrelse, den måde, de bevæger sig på osv. Der anvendes materialer, der i branchen kaldes “intelligente” materialer, som er programmeret til at ændre form under indflydelse af en ekstern faktor, oftest temperaturen, ligesom når en computer adlyder en kode. Denne “kode” tilføjes derfor til materialet og giver instruktioner til den 3D-printede del. Bastien E. Rapp, formand for det procesteknologiske laboratorium NeptunLab, forklarer: “4D-printning er den funktionelle form af 3D-printning. I stedet for kun at udskrive fysiske strukturer kan vi nu udskrive funktioner. Det er som at indlejre et stykke kode i et materiale – når det først er udløst, gør det, hvad du har programmeret det til at gøre.”

4D-udskrivningsmaterialer og -teknologier

4D-udskrivningsmaterialer er ikke så varierede som additiv fremstillingsmaterialer, fordi teknologien stadig er i sin vorden, men det er vigtigt at bemærke, at der findes forskellige. Lad os starte med polymerer med formhukommelse (SMP), som er materialer, der er i stand til at lagre en makroskopisk form, bevare den i et vist tidsrum og vende tilbage til sin oprindelige form under påvirkning af varme uden nogen som helst restdeformation. Andre indirekte stimuli kan også forårsage transformationen: et magnetfelt, et elektrisk felt eller nedsænkning i vand.

Et andet 4D-printmateriale er flydende krystalelastomerer (LCE’er), der, som navnet antyder, indeholder varmefølsomme væskekrystaller. Ved at styre deres orientering er det muligt at programmere den ønskede form. Under påvirkning af temperaturen vil materialet udvide sig og forvandle sig i overensstemmelse med den dikterede kode. Det tredje materiale er hydrogeler, som er polymerkæder, der hovedsagelig består af vand, og som især anvendes i fotopolymeriseringsprocesser. De er af stor interesse for den medicinske sektor på grund af deres biokompatibilitet.

I nogle 4D-printprocesser anvendes multimaterialer. Det er hovedsageligt kompositter, der tilsættes til SMP’er eller hydrogeler, f.eks. kulstof- eller træfibre. MIT Self-Assembly Lab begyndte sin forskning i 4D-printing fra en Stratasys Connex-maskine, der er baseret på princippet om material jetting, en multimateriale proces. Der findes naturligvis andre 4D-printmaterialer, som f.eks. keramik, men vi har besluttet at fokusere på de vigtigste.

Credits: Self-Assembly Lab

Endeligt ligger hele 4D-printprocessen i materialet. Det er derfor nødvendigt at forstå, hvordan det vil reagere på visse stimuli. Bastien E. Rapp forklarer, at “et meget godt kendskab til materialer er nødvendigt for at lette 4D-printing”. Når dette er godt integreret, kan vi bruge forskellige 3D-printteknologier: stereolitografi, materialejetting (til alle multimaterialer), fused filament fabrication (arbejde med polymerer). Oftest er den anvendte 3D-printer en forbedret maskine, der er i stand til at tage højde for den 4. dimension. Bastien E. Rapp fortsætter: “Afhængigt af kompleksiteten af din fjerde dimension kan det være så let som at printe to materialer parallelt. Dette kan også indebære opvarmning eller afkøling af materialet under fremstillingsprocessen. Der findes mange metoder, som alle kræver specifikke betingelser.”

4D Printing Applications

Da det er muligt at programmere et intelligent materiale som ønsket, kan det se ud til, at anvendelsesmulighederne for 4D-printing er ret omfattende. Forestil dig et objekt, der kan antage enhver form: teknologien kan så påvirke byggesektoren til at bygge strukturer, der kan tilpasses klimatiske forhold, forbrugsgoder kan tilpasse sig folks behov, eller endda i den medicinske sektor osv. En af Skylar Tibbits første idéer var at bruge 4D-printing til at lave intelligente rør. Disse rør ville være i stand til at ændre form i forhold til den mængde vand, de indeholder, men også når der opstår et fænomen under jorden. På den måde ville man undgå at grave dem op og ændre dem – en tidskrævende og meget dyr proces.

En af de sektorer, der er mest interesseret i 4D-printning, er uden tvivl den medicinske sektor. 4D-printning kunne gøre det muligt at skabe skræddersyet, intelligent og skalerbart udstyr. Ved f.eks. at 4D-printe et implantat ville det være lettere at kontrollere dets tilstand og levedygtighed, når det først er blevet integreret af patienten. Det samme gælder for al regenerativ medicin og fremstilling af cellulære strukturer. 4D-printning kunne f.eks. gøre det muligt for celler at tilpasse sig en menneskekrop efter dens temperatur. Chloé Devillard, som i øjeblikket er ved at forberede sin afhandling på 3d.FAB, forklarede os det: “Vi arbejder med 4D-printing til applikationer inden for vævsmanipulation og regenerativ medicin med henblik på at reparere levende organismer. Jeg bruger det især til at reproducere et blodkar, der er så tæt som muligt på virkeligheden med hensyn til fysiologi, funktion og mekanik. Vi kan skabe konstruktioner, der ligner levende væsener så meget som muligt.”

3d.Fab arbejder i øjeblikket på 4D-printing-projekter til at skabe blodkar | Credits: Endelig kan man forestille sig et 4D-printet lægemiddel, der kan frigive sit stof afhængigt af patientens kropstemperatur. Det er et af Dr. Fang’s forskningsprojekter på MIT, forklarer han: “Vi ønsker at bruge kropstemperaturen som udløser. Hvis vi kan designe polymerer korrekt, kan vi måske skabe en lægemiddelafgivelsesanordning, der kun frigiver stoffet, hvis der opstår feber.”

Transportsektoren i bred forstand er også interesseret i 4D-printning, hvad enten det er inden for bil- eller luftfartsindustrien. I 2018 fortalte vi om det oppustelige materiale, der var blevet udviklet af BMW og MIT, det ændrede form og størrelse under påvirkning af luftimpulser. Et interessant materiale til at designe fremtidens dæk, der f.eks. er i stand til at reparere sig selv i tilfælde af en punktering eller tilpasse sig de mest ekstreme vejrforhold. Ud over biler kan vi også tale om flyvemaskiner. En 4D-printet komponent kunne reagere på ændringer i atmosfærisk tryk eller temperatur og dermed ændre funktion – Airbus arbejder i øjeblikket på dette spørgsmål. Luftfartsgiganten forklarer, at disse komponenter kunne erstatte hængsler, hydrauliske aktuatorer og dermed reducere vægten af disse enheder betydeligt.

Forestil dig en skammel, der kan foldes og foldes ud af sig selv | Credits: Endelig er 4D-printing mere end interessant for alle anvendelser, der kræver en høj grad af tilpasning, da det er muligt at programmere materialet efter vores behov. På nuværende tidspunkt kan konceptet måske virke mærkeligt, men man kunne forestille sig tøj, der tager vores krops virkelige form, møbler, der kan foldes og foldes ud for at spare plads osv.

Fremtiden for 4D-printing

Selv om denne teknologi er lovende, har den stadig mange begrænsninger: Hvad er de intelligente materialers reelle modstandsdygtighed over tid? Vil de stadig være i stand til at udføre deres opgaver i det lange løb? Mange virksomheder er stadig ved at afprøve denne fremstillingsproces, og kun få har rapporteret deres resultater. Bastien E. Rapp fortalte os, at 4D-printing kræver en vis mængde meget teknisk viden, hvilket gør det vanskeligere at demokratisere den i lige så høj grad som additiv fremstilling. “Da det er et ret komplekst emne, der kræver en meget god materiale- og fremstillingskontrol, bliver det måske ikke lige så udbredt og tilgængeligt som 3D-printning selv. Men det vil ikke desto mindre få en betydelig indvirkning på industrien.”

BMW har 4D-printet et silikonemateriale, der kan puste sig selv op: Er dette fremtiden for pneumatik?