W jaki sposób druk 4D zakłóci nasze obecne techniki produkcyjne?

W kwietniu 2013 roku, Skylar Tibbits, założyciel MIT Self-Assembly Lab, poprowadził konferencję TEDx, w której przedstawił nową koncepcję procesu druku 3D. Po raz pierwszy wprowadził on czwarty wymiar do tej technologii, która już teraz zmieniała wiele sektorów. Wyjaśnił, że druk 4D jest jak dodanie nowej cechy do materiału, który będzie używany do druku 3D, a dokładniej jest to zdolność materiału do przekształcania się w czasie. W rzeczywistości, dzięki drukowi 4D, materiał może sam zmienić kształt, bez żadnej interwencji człowieka, ale po prostu pod wpływem czynników zewnętrznych, takich jak światło, ciepło, wibracje itp.

Od tego czasu druk 4D wzbudził zainteresowanie wielu branż, które widzą ogromny potencjał w dostosowywaniu urządzeń i struktur. Według raportu Gartnera z 2019 roku, zainteresowanie drukiem 4D rośnie. Do 2023 roku startupy skupiające się na tej technologii powinny przyciągnąć 300 milionów dolarów kapitału venture. Nieuchronnie więc, w obliczu tej obserwacji, zastanawiamy się, jaka będzie przyszłość druku 4D. Czy zastąpi on produkcję addytywną w niektórych zastosowaniach? Jaki będzie jego wpływ na branżę?

Ten wydrukowany w 3D obiekt stopniowo zmienia kształt pod wpływem czynników zewnętrznych. Innymi słowy jest to obiekt drukowany 4D | Credits: Self-Assembly Lab

Jak działa drukowanie 4D?

Drukowanie 4D jest silnie inspirowane zasadą samoorganizacji, która nie jest nową koncepcją. Prawdopodobnie słyszałeś o samozłożeniu molekularnym, gdzie molekuły tworzą złożone struktury bez jakiejkolwiek interwencji człowieka. Koncepcja ta jest szeroko stosowana na przykład w nanotechnologii. Druk 4D przenosi więc tę zasadę na wyższy poziom. Skoro możliwe jest, aby małe struktury w skali mikroskopowej składały się i poruszały samodzielnie, dlaczego nie wyobrazić sobie tego na większych obiektach drukowanych w 3D?

Podczas gdy druk 3D produkuje obiekty, które zachowują swój stały kształt, druk 4D zmieni ich kształt, ale także kolor, rozmiar, sposób poruszania się, itp. Wykorzystuje do tego materiały zwane w branży „inteligentnymi”, które zostały zaprogramowane do zmiany kształtu pod wpływem czynnika zewnętrznego, najczęściej temperatury, podobnie jak wtedy, gdy komputer podporządkowuje się kodowi. Ten „kod” jest więc dodawany do materiału i stanowi instrukcję dla drukowanej w 3D części. Bastien E. Rapp, prezes Laboratorium Technologii Procesowych NeptunLab, wyjaśnia: „Druk 4D jest funkcjonalną formą druku 3D. Zamiast drukować tylko fizyczne struktury, możemy teraz drukować funkcje. To jak osadzenie kawałka kodu w materiale – po uruchomieniu robi on to, do czego go zaprogramowałeś.”

Drukowanie 4D Materiały i technologie

Materiały do druku 4D nie są tak zróżnicowane jak materiały do produkcji addytywnej, ponieważ technologia ta jest wciąż w powijakach, ale ważne jest, aby zauważyć, że istnieją różne. Zacznijmy od polimerów z pamięcią kształtu (SMPs), które są materiałami zdolnymi do przechowywania makroskopowego kształtu, zachowania go przez pewien czas i powrotu do pierwotnego kształtu pod wpływem ciepła, bez jakiejkolwiek deformacji resztkowej. Inne pośrednie bodźce mogą również spowodować transformację: pole magnetyczne, pole elektryczne lub zanurzenie w wodzie.

Innym materiałem do druku 4D są elastomery ciekłokrystaliczne (LCE), które, jak sama nazwa wskazuje, zawierają wrażliwe na ciepło ciekłe kryształy. Kontrolując ich orientację, można zaprogramować pożądany kształt. Pod wpływem temperatury materiał będzie się rozszerzał i przekształcał zgodnie z podyktowanym kodem. Trzecim materiałem są hydrożele, są to łańcuchy polimerowe składające się głównie z wody, szczególnie wykorzystywane w procesach fotopolimeryzacji. Są one bardzo interesujące dla sektora medycznego ze względu na ich biokompatybilność.

W niektórych procesach druku 4D wykorzystuje się materiały wielomateriałowe. Są to głównie kompozyty dodawane do SMP lub hydrożeli, takie jak włókna węglowe lub drzewne. MIT Self-Assembly Lab rozpoczął swoje badania nad drukiem 4D od maszyny Stratasys Connex, na zasadzie jettingu materiałowego, czyli procesu wielomateriałowego. Oczywiście istnieją inne materiały do druku 4D, takie jak na przykład ceramika, ale my postanowiliśmy skupić się na tych głównych.

Credits: Self-Assembly Lab

Wreszcie, cały proces druku 4D rezyduje w materiale. Dlatego konieczne jest zrozumienie, jak będzie on reagował na określone bodźce. Bastien E. Rapp wyjaśnia, że „bardzo dobra znajomość materiałów jest wymagana, aby ułatwić drukowanie 4D.” Kiedy jest to już dobrze zintegrowane, możemy korzystać z różnych technologii druku 3D: stereolitografii, jettingu materiałowego (dla wszystkich multimateriałów), fused filament fabrication (praca z polimerami). Najczęściej używana drukarka 3D jest ulepszoną maszyną, która jest w stanie uwzględnić czwarty wymiar. Bastien E. Rapp kontynuuje: „W zależności od złożoności Twojego 4 wymiaru, może to być tak proste, jak drukowanie dwóch materiałów równolegle. Może to również obejmować ogrzewanie lub chłodzenie materiału podczas procesu produkcyjnego. Istnieje wiele metod, z których wszystkie wymagają określonych warunków.”

Zastosowania druku 4D

Ponieważ możliwe jest zaprogramowanie inteligentnego materiału zgodnie z życzeniem, może się wydawać, że zastosowania druku 4D są dość rozległe. Wyobraźmy sobie obiekt, który może przybrać dowolną formę: technologia może wtedy wpłynąć na sektor budowlany, aby budować struktury, które są przystosowane do warunków klimatycznych, dobra konsumpcyjne mogą dostosować się do potrzeb ludzi, a nawet w sektorze medycznym, itp. Jednym z pierwszych pomysłów Skylar Tibbits było wykorzystanie druku 4D do produkcji inteligentnych rur. Rury te byłyby w stanie zmieniać kształt w zależności od ilości zawartej w nich wody, ale także w przypadku wystąpienia jakiegokolwiek zjawiska pod ziemią. Pozwoliłoby to uniknąć ich wykopywania i wymiany – czasochłonnego i bardzo kosztownego procesu.

Jednym z sektorów najbardziej zainteresowanych drukiem 4D jest niewątpliwie sektor medyczny. Druk 4D mógłby umożliwić tworzenie urządzeń dostosowanych do indywidualnych potrzeb, inteligentnych i skalowalnych. Przykładowo, drukując 4D implant, łatwiej byłoby kontrolować jego stan i żywotność po zintegrowaniu przez pacjenta. To samo odnosi się do całej medycyny regeneracyjnej i wytwarzania struktur komórkowych. Druk 4D mógłby pozwolić na przykład na dostosowanie się komórek do ludzkiego ciała w zależności od jego temperatury. Chloé Devillard, która obecnie przygotowuje swoją pracę dyplomową w 3d.FAB, wyjaśniła nam: „Pracujemy z drukiem 4D dla zastosowań w inżynierii tkankowej i medycynie regeneracyjnej w celu naprawy żywych organizmów. W szczególności używam go do odtworzenia naczynia krwionośnego, które jest jak najbardziej zbliżone do rzeczywistości pod względem fizjologii, funkcji i mechaniki. Możemy tworzyć konstrukcje, które są tak podobne do żywych istot, jak to tylko możliwe.”

3d.Fab pracuje obecnie nad projektami druku 4D w celu stworzenia naczyń krwionośnych | Credits: 3d.Fab

Wreszcie, wyobraź sobie wydrukowany w 4D lek, który mógłby uwalniać swoją substancję w zależności od temperatury ciała pacjenta. Jest to jeden z projektów badawczych dr Fanga na MIT, wyjaśnia: „Chcemy wykorzystać temperaturę ciała jako czynnik wyzwalający. Jeśli uda nam się prawidłowo zaprojektować polimery, być może będziemy w stanie stworzyć urządzenie do dostarczania leków, które będzie uwalniać lek tylko wtedy, gdy pojawi się gorączka.”

Drukiem 4D interesuje się również szeroko pojęty sektor transportowy, czy to w branży motoryzacyjnej, czy lotniczej. W 2018 roku opowiadaliśmy Wam o nadmuchiwanym materiale, który został opracowany przez BMW i MIT, potrafi on kanalizować kształt i rozmiar pod wpływem impulsów powietrza. Ciekawy materiał do projektowania przyszłych opon, na przykład zdolnych do samonaprawy w przypadku przebicia lub dostosowujących się do najbardziej ekstremalnych warunków pogodowych. Poza samochodami, możemy również mówić o samolotach. Element drukowany w technologii 4D mógłby reagować na zmiany ciśnienia atmosferycznego lub temperatury, a tym samym zmieniać swoje funkcje – nad tym zagadnieniem pracuje obecnie Airbus. Lotniczy gigant wyjaśnia, że takie komponenty mogłyby zastąpić zawiasy, siłowniki hydrauliczne, a tym samym znacznie zmniejszyć wagę tych urządzeń.

Wyobraź sobie stołek, który sam się składa i rozkłada | Credits: Self-Assembly Lab

Wreszcie, druk 4D jest więcej niż interesujący dla wszystkich zastosowań, które wymagają wysokiego stopnia dostosowania, ponieważ możliwe jest zaprogramowanie materiału zgodnie z naszymi potrzebami. Na tym etapie koncepcja może wydawać się dziwna, ale można sobie wyobrazić ubrania, które przybierają rzeczywisty kształt naszego ciała, meble, które składają się i rozkładają, aby zaoszczędzić miejsce, itp.

Przyszłość druku 4D

Choć pełna obietnic, technologia ta wciąż ma wiele ograniczeń: jaka jest rzeczywista odporność inteligentnych materiałów w czasie? Czy na dłuższą metę będą one nadal w stanie wykonywać swoje zadania? Wiele firm wciąż testuje ten proces produkcyjny i niewiele z nich przedstawiło swoje wyniki. Bastien E. Rapp powiedział nam, że druk 4D wymaga pewnej ilości bardzo technicznej wiedzy, co utrudnia jego demokratyzację w takim stopniu, jak w przypadku produkcji addytywnej. „Ponieważ jest to dość złożony temat, wymagający bardzo dobrej kontroli materiałów i produkcji, może nie stać się tak szeroko dostępny i osiągalny jak sam druk 3D. Ale mimo to będzie miało znaczący wpływ na branżę.”

BMW wydrukowało 4D materiał silikonowy, który może się sam nadmuchiwać: czy to przyszłość pneumatyki?

.