Hogyan fogja a 4D nyomtatás megzavarni a jelenlegi gyártási technikáinkat?

2013 áprilisában Skylar Tibbits, az MIT Self-Assembly Lab alapítója tartott egy TEDx-konferenciát, amelyen bemutatta a 3D nyomtatás új koncepcióját. Először vezetett be egy negyedik dimenziót ebbe a technológiába, amely már számos ágazatot felforgatott. Elmagyarázta, hogy a 4D nyomtatás olyan, mintha egy új tulajdonságot adnának a 3D nyomtatáshoz használt anyaghoz, pontosabban az anyag idővel való átalakulási képességét. Valójában a 4D nyomtatásnak köszönhetően egy anyag magától, emberi beavatkozás nélkül, egyszerűen a külső tényezők, például a fény, a hő, a rezgés stb. hatására képes megváltoztatni az alakját.

A 4D nyomtatás azóta számos iparág érdeklődését felkeltette, amelyek nagy lehetőségeket látnak az eszközök és szerkezetek testre szabásában. A 2019-es Gartner-jelentés szerint a 4D-nyomtatás iránti érdeklődés egyre nő. Az erre a technológiára összpontosító startupok 2023-ra 300 millió dollárnyi kockázati tőkét vonzanak. Ezzel a megfigyeléssel szembesülve tehát elkerülhetetlenül felmerül bennünk a kérdés, hogy mi lesz a 4D-nyomtatás jövője. Felváltja-e majd az additív gyártást bizonyos alkalmazások esetében? Milyen hatással lesz az iparágra?

A 3D nyomtatott tárgy külső tényezők hatására fokozatosan változtatja alakját. Más szóval ez egy 4D nyomtatott tárgy | Credits:

Hogyan működik a 4D nyomtatás?

A 4D nyomtatást erősen inspirálja az önösszeszerelés elve, ami nem új koncepció. Bizonyára hallott már a molekuláris önszerveződésről, ahol a molekulák emberi beavatkozás nélkül alkotnak összetett struktúrákat. Ezt a koncepciót például a nanotechnológiában is széles körben alkalmazzák. A 4D nyomtatás tehát ezt az elvet a következő szintre emeli. Ha a mikroszkopikus méretű kis szerkezetek képesek maguktól összeállni és mozogni, miért ne lehetne ezt elképzelni nagyobb 3D nyomtatott tárgyakon?

Míg a 3D nyomtatás olyan tárgyakat állít elő, amelyek megtartják rögzített alakjukat, a 4D nyomtatás nemcsak az alakjukat változtatja meg, hanem a színüket, méretüket, mozgásukat stb. is. Az iparágban “intelligens” anyagoknak nevezett anyagokat használ, amelyeket úgy programoztak, hogy egy külső tényező, leggyakrabban a hőmérséklet hatására megváltoztassák az alakjukat, mint amikor egy számítógép engedelmeskedik a kódnak. Ez a “kód” tehát hozzáadódik az anyaghoz, és utasításokat ad a 3D nyomtatott alkatrésznek. Bastien E. Rapp, a NeptunLab Folyamattechnológiai Laboratórium elnöke elmagyarázza: “A 4D nyomtatás a 3D nyomtatás funkcionális formája. Ahelyett, hogy csak fizikai struktúrákat nyomtatnánk, most már funkciókat is nyomtathatunk. Ez olyan, mintha egy kódot ágyaznánk be egy anyagba – amint elindítjuk, azt teszi, amire beprogramoztuk.”

4D nyomtatás Anyagok és technológiák

A 4D nyomtatás anyagai nem olyan változatosak, mint az additív gyártás anyagai, mivel a technológia még gyerekcipőben jár, de fontos megjegyezni, hogy léteznek különbözőek. Kezdjük az alakemlékező polimerekkel (shape-memory polymers, SMP), amelyek olyan anyagok, amelyek képesek egy makroszkopikus alakot tárolni, azt egy bizonyos ideig megőrizni, és hő hatására visszanyerni eredeti alakját, mindenféle maradék deformáció nélkül. Más közvetett ingerek is előidézhetik az átalakulást: mágneses tér, elektromos tér vagy vízbe merítés.

Egy másik 4D nyomtatási anyag a folyadékkristályos elasztomerek (LCE-k), amelyek, ahogy a nevük is mutatja, hőérzékeny folyadékkristályokat tartalmaznak. Ezek orientációjának szabályozásával programozható a kívánt forma. A hőmérséklet hatására az anyag kitágul és átalakul a diktált kódnak megfelelően. A harmadik anyag a hidrogélek, ezek főként vízből álló polimerláncok, amelyeket különösen fotopolimerizációs eljárásokban használnak. Biokompatibilitásuk miatt nagy érdeklődésre tartanak számot az orvosi ágazatban.

A 4D nyomtatási eljárások egy része többféle anyagot használ. Főként kompozitokat adnak az SMP-khez vagy hidrogélekhez, például szén- vagy faszálakat. Az MIT Self-Assembly Lab a 4D nyomtatással kapcsolatos kutatásait egy Stratasys Connex gépről kezdte, amely az anyagsugárzás elvén alapuló, több anyagot tartalmazó eljárás. Természetesen léteznek más 4D nyomtatási anyagok is, például kerámiák, de mi úgy döntöttünk, hogy a legfontosabbakra koncentrálunk.

Kreditpontok: Self-Assembly Lab

Végeredményben az egész 4D nyomtatási folyamat az anyagban rejlik. Ezért meg kell érteni, hogyan fog reagálni bizonyos ingerekre. Bastien E. Rapp elmagyarázza, hogy “a 4D nyomtatás megkönnyítéséhez nagyon jó anyagismeretre van szükség”. Amint ez jól integrálódik, használhatjuk a különböző 3D nyomtatási technológiákat: sztereolitográfia, anyagsugárzás (minden multianyag esetében), olvasztott szálak gyártása (polimerekkel dolgozva). Leggyakrabban a használt 3D nyomtató egy továbbfejlesztett gép, amely képes figyelembe venni a 4. dimenziót. Bastien E. Rapp folytatja: “A 4. dimenzió összetettségétől függően ez lehet olyan egyszerű, mint két anyag párhuzamos nyomtatása. Ez magában foglalhatja az anyag melegítését vagy hűtését is a gyártási folyamat során. Számos módszer létezik, amelyek mindegyike speciális körülményeket igényel.”

4D nyomtatási alkalmazások

Miatt, hogy egy intelligens anyagot tetszés szerint lehet programozni, úgy tűnhet, hogy a 4D nyomtatás alkalmazásai meglehetősen széleskörűek. Képzeljünk el egy olyan tárgyat, amely bármilyen formát felvehet: a technológia így hatással lehet az építőiparra, hogy az éghajlati viszonyokhoz alkalmazkodó szerkezeteket építsenek, a fogyasztási cikkek alkalmazkodhatnak az emberek igényeihez, vagy akár az orvosi ágazatban is, stb. Skylar Tibbits egyik első ötlete az volt, hogy a 4D-nyomtatás segítségével intelligens csöveket készítsen. Ezek a csövek képesek lennének a bennük lévő vízmennyiségnek megfelelően változtatni az alakjukat, de akkor is, ha bármilyen jelenség történik a föld alatt. Így elkerülhető lenne, hogy kiássák és kicseréljék őket – ami időigényes és nagyon költséges folyamat.

A 4D nyomtatás iránt leginkább érdeklődő ágazatok egyike kétségtelenül az orvosi ágazat. A 4D nyomtatás lehetővé tenné a személyre szabott, intelligens és méretezhető eszközök létrehozását. Például egy implantátum 4D-nyomtatásával könnyebb lenne ellenőrizni annak állapotát és életképességét, miután a beteg beépítette. Ugyanez igaz az összes regeneratív orvoslásra és a sejtszerkezetek előállítására. A 4D-nyomtatás lehetővé tenné például, hogy a sejtek a hőmérsékletnek megfelelően alkalmazkodjanak az emberi testhez. Chloé Devillard, aki jelenleg a 3d.FAB-nál készíti szakdolgozatát, elmagyarázta nekünk: “A 4D-nyomtatással a szövettechnológia és a regeneratív orvostudomány alkalmazásain dolgozunk, hogy élő szervezeteket javíthassunk. Konkrétan egy olyan véredény reprodukálására használom, amely a fiziológia, a funkció és a mechanika szempontjából a lehető legközelebb áll a valósághoz. Olyan konstrukciókat hozhatunk létre, amelyek a lehető legjobban hasonlítanak az élőlényekhez.”

A 3d.Fab jelenleg 4D-nyomtatási projekteken dolgozik, hogy vérereket hozzon létre | Credits: 3d.Fab

Végül képzeljünk el egy olyan 4D nyomtatott gyógyszert, amely a beteg testhőmérsékletétől függően tudná felszabadítani az anyagát. Ez Dr. Fang egyik kutatási projektje az MIT-n, magyarázza: “A testhőmérsékletet szeretnénk kiváltószerként használni. Ha helyesen tudjuk megtervezni a polimereket, akkor olyan gyógyszeradagoló eszközt hozhatunk létre, amely csak akkor szabadítja fel a gyógyszert, ha láz alakul ki.”

A tágabb értelemben vett közlekedési ágazat is érdeklődik a 4D nyomtatás iránt, akár az autóiparban, akár a repülőgépiparban. 2018-ban már beszámoltunk a BMW és az MIT által kifejlesztett felfújható anyagról, amely légimpulzusok hatására alakot és méretet változtat. Érdekes anyag például a jövő gumiabroncsainak tervezéséhez, amely képes önjavításra defekt esetén vagy a legszélsőségesebb időjárási körülményekhez való alkalmazkodásra. Az autókon túl a repülőgépekről is beszélhetünk. Egy 4D nyomtatott alkatrész reagálhatna a légköri nyomás vagy a hőmérséklet változására, és így megváltoztathatná a funkcióját – az Airbus jelenleg is dolgozik ezen a témán. A repülőgépipari óriáscég magyarázata szerint ezek az alkatrészek kiválthatnák a zsanérokat, a hidraulikus működtetőket, és így jelentősen csökkenthetnék az eszközök súlyát.

Elképzelni egy olyan székletet, amely magától össze- és széthajtható | Credits: Self-Assembly Lab

Végezetül a 4D nyomtatás több mint érdekes minden olyan alkalmazás számára, amely nagyfokú testreszabást igényel, mivel az anyagot az igényeinknek megfelelően lehet programozni. Ebben a szakaszban a koncepció furcsának tűnhet, de elképzelhetőek olyan ruhák, amelyek felveszik testünk valódi alakját, bútorok, amelyek helytakarékosan össze- és széthajthatóak, stb.

A 4D nyomtatás jövője

Bár tele van ígéretekkel, ennek a technológiának még számos korlátja van: mekkora az intelligens anyagok valós időbeli ellenállóképessége? Képesek lesznek-e még hosszú távon is ellátni a feladataikat? Sok vállalat még mindig teszteli ezt a gyártási eljárást, és csak kevesen számoltak be eredményeikről. Bastien E. Rapp elmondta, hogy a 4D-nyomtatás bizonyos mértékű, nagyon technikai tudást igényel, ami miatt nehezebben demokratizálható annyira, mint az additív gyártás. “Mivel ez egy meglehetősen összetett téma, amely nagyon jó anyag- és gyártásellenőrzést igényel, nem biztos, hogy olyan széles körben elérhető és hozzáférhető lesz, mint maga a 3D nyomtatás. Ennek ellenére jelentős hatással lesz az iparágra.”

A BMW 4D nyomtatott egy szilikon anyagot, amely képes felfújni magát: ez a pneumatika jövője?