Miten 4D-tulostus häiritsee nykyisiä valmistustekniikoitamme?

Huhtikuussa 2013 MIT:n Self-Assembly Labin perustaja Skylar Tibbits järjesti TEDx-konferenssin, jossa hän esitteli uuden konseptin 3D-tulostusprosessiin. Ensimmäistä kertaa hän esitteli neljännen ulottuvuuden tähän teknologiaan, joka oli jo mullistamassa monia aloja. Hän selitti, että 4D-tulostus oli kuin lisäisi uuden ominaisuuden 3D-tulostuksessa käytettävään materiaaliin, tarkemmin sanottuna se oli materiaalin kyky muuntua ajan myötä. Itse asiassa 4D-tulostuksen ansiosta materiaali voi muuttaa muotoaan itsestään, ilman ihmisen väliintuloa, vaan yksinkertaisesti ulkoisten tekijöiden, kuten valon, lämmön, tärinän jne. vaikutuksesta.

Sen jälkeen 4D-tulostus on herättänyt kiinnostusta monilla teollisuudenaloilla, jotka näkevät suurta potentiaalia laitteiden ja rakenteiden mukauttamisessa. Gartnerin vuoden 2019 raportin mukaan kiinnostus 4D-tulostusta kohtaan on kasvussa. Vuoteen 2023 mennessä tähän teknologiaan keskittyvien startup-yritysten pitäisi houkutella 300 miljoonaa dollaria riskipääomaa. Tämän havainnon edessä mietimme siis väistämättä, mikä on 4D-tulostuksen tulevaisuus. Korvaako se additiivisen valmistuksen joissakin sovelluksissa? Mikä on sen vaikutus teollisuuteen?

Tämä 3D-tulostettu esine muuttaa vähitellen muotoaan ulkoisten tekijöiden vaikutuksesta. Toisin sanoen kyseessä on 4D-tulostettu esine | Credits: Self-Assembly Lab

Miten 4D-tulostus toimii?

4D-tulostus perustuu vahvasti itsekokoonpanon periaatteeseen, joka ei ole uusi käsite. Olet luultavasti kuullut molekyylien itsejärjestäytymisestä, jossa molekyylit muodostavat monimutkaisia rakenteita ilman ihmisen väliintuloa. Konseptia käytetään laajalti myös esimerkiksi nanoteknologiassa. 4D-tulostuksessa tämä periaate viedään siis seuraavalle tasolle. Jos mikroskooppisen mittakaavan pienet rakenteet voivat koota ja liikkua itsestään, miksei sitä voisi kuvitella suuremmille 3D-tulostetuille esineille?

Mikäli 3D-tulostus tuottaa esineitä, jotka säilyttävät kiinteän muotonsa, 4D-tulostus muuttaa niiden muotoa, mutta myös väriä, kokoa, tapaa, jolla ne liikkuvat jne. Siinä käytetään alalla ”älykkäiksi” kutsuttuja materiaaleja, jotka on ohjelmoitu muuttamaan muotoaan ulkoisen tekijän, useimmiten lämpötilan, vaikutuksesta, aivan kuten tietokone tottelee koodia. Tämä ”koodi” lisätään siis materiaaliin ja antaa ohjeet 3D-tulostettavalle kappaleelle. NeptunLabin prosessitekniikan laboratorion johtaja Bastien E. Rapp selittää: ”4D-tulostus on 3D-tulostuksen toiminnallinen muoto. Sen sijaan, että tulostaisimme vain fyysisiä rakenteita, voimme nyt tulostaa toimintoja. Se on kuin upottaisi koodin materiaaliin – kun se käynnistetään, se tekee sen, mitä olet ohjelmoinut sen tekemään.”

4D-tulostuksen materiaalit ja teknologiat

4D-tulostuksen materiaaleja ei ole yhtä monenlaisia kuin additiivisen valmistuksen materiaaleja, koska teknologia on vielä lapsenkengissään, mutta on tärkeää huomata, että erilaisia materiaaleja on olemassa. Aloitetaan muoto-muistipolymeereistä (SMP), jotka ovat materiaaleja, jotka pystyvät varastoimaan makroskooppisen muodon, säilyttämään sen tietyn ajan ja palaamaan alkuperäiseen muotoonsa lämmön vaikutuksesta ilman minkäänlaista jäännösmuodonmuutosta. Myös muut epäsuorat ärsykkeet voivat aiheuttaa muodonmuutoksen: magneettikenttä, sähkökenttä tai upottaminen veteen.

Toinen 4D-tulostusmateriaali on nestekide-elastomeerit (Liquid Crystal Elastomers, LCE), jotka nimensä mukaisesti sisältävät lämpöherkkiä nestekiteitä. Ohjaamalla niiden suuntausta on mahdollista ohjelmoida haluttu muoto. Lämpötilan vaikutuksesta materiaali laajenee ja muuttuu sanellun koodin mukaisesti. Kolmas materiaali ovat hydrogeelit, jotka ovat pääasiassa vedestä koostuvia polymeeriketjuja, joita käytetään erityisesti fotopolymerointiprosesseissa. Ne ovat erittäin kiinnostavia lääketieteen alalla niiden bioyhteensopivuuden vuoksi.

Joissakin 4D-tulostusprosesseissa käytetään useita materiaaleja. Kyse on pääasiassa komposiiteista, joita lisätään SMP:hen tai hydrogeeleihin, kuten hiili- tai puukuituja. MIT:n Self-Assembly Lab aloitti 4D-tulostuksen tutkimuksen Stratasys Connex -koneesta, joka perustuu materiaalisuihkutuksen periaatteeseen, joka on monimateriaaliprosessi. Toki on olemassa muitakin 4D-tulostusmateriaaleja, kuten esimerkiksi keramiikkaa, mutta olemme päättäneet keskittyä niihin tärkeimpiin.

Credits: Self-Assembly Lab

Loppujen lopuksi koko 4D-tulostusprosessi asuu materiaalissa. Siksi on välttämätöntä ymmärtää, miten se reagoi tiettyihin ärsykkeisiin. Bastien E. Rapp selittää, että ”4D-tulostuksen helpottaminen edellyttää erittäin hyvää materiaalien tuntemusta”. Kun tämä on hyvin integroitu, voimme käyttää erilaisia 3D-tulostustekniikoita: stereolitografiaa, materiaalisuihkutusta (kaikille monimateriaaleille), sulatettua filamenttivalmistusta (polymeerien kanssa työskentely). Useimmiten käytettävä 3D-tulostin on parannettu kone, joka pystyy ottamaan huomioon 4. ulottuvuuden. Bastien E. Rapp jatkaa: ”Riippuen 4. ulottuvuuden monimutkaisuudesta, se voi olla yhtä helppoa kuin kahden materiaalin tulostaminen rinnakkain. Tähän voi liittyä myös materiaalin lämmittäminen tai jäähdyttäminen valmistusprosessin aikana. On monia menetelmiä, jotka kaikki vaativat tietyt olosuhteet.”

4D-tulostuksen sovellukset

Koska älykäs materiaali on mahdollista ohjelmoida halutulla tavalla, voi vaikuttaa siltä, että 4D-tulostuksen sovellukset ovat varsin laajat. Kuvittele esine, joka voi ottaa minkä tahansa muodon: teknologia voi tällöin vaikuttaa rakennusalalla, jolloin voidaan rakentaa ilmasto-olosuhteisiin sopeutuvia rakenteita, kulutustavarat voisivat mukautua ihmisten tarpeisiin tai jopa lääketieteen alalla jne. Yksi Skylar Tibbitsin ensimmäisistä ideoista oli käyttää 4D-tulostusta älykkäiden putkien valmistamiseen. Nämä putket pystyisivät muuttamaan muotoaan sisältämänsä vesimäärän mukaan, mutta myös silloin, kun maan alla tapahtuu jokin ilmiö. Näin vältyttäisiin niiden kaivamiselta ja vaihtamiselta, mikä on aikaa vievä ja erittäin kallis prosessi.

Yksi 4D-tulostuksesta eniten kiinnostuneista aloista on epäilemättä lääketieteen ala. 4D-tulostus voisi mahdollistaa räätälöityjen, älykkäiden ja skaalautuvien laitteiden luomisen. Esimerkiksi 4D-tulostamalla implantti olisi helpompi valvoa sen kuntoa ja elinkelpoisuutta sen jälkeen, kun se on asennettu potilaaseen. Sama pätee kaikkeen regeneratiiviseen lääketieteeseen ja solurakenteiden valmistukseen. 4D-tulostuksen avulla solut voisivat mukautua ihmiskehoon esimerkiksi sen lämpötilan mukaan. Chloé Devillard, joka valmistelee parhaillaan opinnäytetyötään 3d.FAB:ssa, selitti meille: ”Työskentelemme 4D-tulostuksen parissa kudostekniikan ja regeneratiivisen lääketieteen sovelluksia varten, jotta eläviä organismeja voidaan korjata. Käytän sitä erityisesti sellaisen verisuonen jäljentämiseen, joka on mahdollisimman lähellä todellisuutta fysiologian, toiminnan ja mekaniikan osalta. Voimme luoda rakenteita, jotka muistuttavat mahdollisimman paljon eläviä olentoja.”

3d.Fab työskentelee parhaillaan 4D-tulostusprojektien parissa verisuonten luomiseksi | Credits: 3d.Fab

Viimeiseksi kuvittele 4D-tulostettu lääke, joka voisi vapauttaa aineensa potilaan ruumiinlämmön mukaan. Se on yksi tohtori Fangin tutkimusprojekteista MIT:ssä, hän kertoo: ”Haluamme käyttää kehon lämpötilaa laukaisimena. Jos pystymme suunnittelemaan polymeerit oikein, voimme ehkä luoda lääkkeenantolaitteen, joka vapauttaa lääkettä vain, jos kuume nousee.”

Kuljetusala laajassa merkityksessä on myös kiinnostunut 4D-tulostuksesta, olipa kyse sitten auto- tai ilmailuteollisuudesta. Vuonna 2018 kerroimme BMW:n ja MIT:n kehittämästä puhallettavasta materiaalista, joka canged muoto ja koko ilmapulssien vaikutuksesta. Mielenkiintoinen materiaali esimerkiksi tulevaisuuden renkaiden suunnitteluun, jotka pystyvät itse korjaamaan itsensä puhki puhjetessa tai sopeutumaan äärimmäisiin sääolosuhteisiin. Autojen lisäksi voidaan puhua myös lentokoneista. 4D-tulostettu komponentti voisi reagoida ilmanpaineen tai lämpötilan muutoksiin ja siten muuttaa toimintaansa – Airbus työskentelee parhaillaan tämän asian parissa. Ilmailu- ja avaruusalan jättiläinen kertoo, että nämä komponentit voisivat korvata saranat, hydrauliset toimilaitteet ja siten vähentää huomattavasti näiden laitteiden painoa.

Kuvittele jakkara, joka taittuu ja avautuu itsestään | Credits: Self-Assembly Lab

Loppujen lopuksi 4D-tulostus on enemmän kuin mielenkiintoinen kaikille sovelluksille, jotka vaativat suurta räätälöintiä, koska materiaali on mahdollista ohjelmoida tarpeidemme mukaan. Tässä vaiheessa konsepti saattaa tuntua oudolta, mutta voisi kuvitella vaatteita, jotka ottavat vartalomme todellisen muodon, huonekaluja, jotka taittuvat ja avautuvat tilaa säästäen jne.

4D-tulostuksen tulevaisuus

Vaikka tämä tekniikka on täynnä lupauksia, sillä on vielä monia rajoituksia: mikä on älykkäiden materiaalien todellinen kestävyys ajan myötä? Pystyvätkö ne vielä pitkällä aikavälillä hoitamaan tehtävänsä? Monet yritykset testaavat vielä tätä valmistusprosessia, ja vain harvat ovat raportoineet tuloksistaan. Bastien E. Rapp kertoi meille, että 4D-tulostukseen liittyy tietty määrä hyvin teknistä osaamista, minkä vuoksi sitä on vaikeampi demokratisoida yhtä paljon kuin additiivista valmistusta. ”Koska kyseessä on melko monimutkainen aihe, joka vaatii erittäin hyvää materiaalin ja valmistuksen hallintaa, se ei ehkä tule yhtä laajasti saataville ja saavutettavaksi kuin itse 3D-tulostus. Sillä tulee kuitenkin olemaan merkittävä vaikutus alaan.”

BMW on 4D-tulostanut silikonimateriaalin, joka pystyy puhaltamaan itse itsensä: onko tässä pneumatiikan tulevaisuus?