Cum va perturba imprimarea 4D tehnicile noastre actuale de fabricație?

În aprilie 2013, Skylar Tibbits, fondatorul MIT Self-Assembly Lab, a găzduit o conferință TEDx în care a introdus un nou concept în procesul de imprimare 3D. Pentru prima dată, el a introdus o a patra dimensiune în această tehnologie care deja perturba multe sectoare. El a explicat că imprimarea 4D este ca și cum ar fi adăugat o nouă caracteristică unui material care va fi folosit pentru imprimarea 3D, mai exact este vorba de capacitatea materialului de a se transforma în timp. De fapt, datorită imprimării 4D, un material își poate schimba forma de la sine, fără nicio intervenție umană, ci pur și simplu sub influența unor factori externi, cum ar fi lumina, căldura, vibrațiile etc.

De atunci, imprimarea 4D a atras interesul multor industrii care văd un mare potențial pentru personalizarea dispozitivelor și structurilor. Potrivit raportului Gartner din 2019, interesul pentru imprimarea 4D este în creștere. Până în 2023, startup-urile care se concentrează pe această tehnologie ar trebui să atragă 300 de milioane de dolari în capital de risc. Așadar, inevitabil, în fața acestei constatări, ne întrebăm care va fi viitorul imprimării 4D. Va înlocui ea fabricarea aditivă pentru anumite aplicații? Care va fi impactul său asupra industriei?

Acest obiect imprimat 3D își schimbă treptat forma din cauza unor factori externi. Cu alte cuvinte, este un obiect imprimat în 4D | Credite: Self-Assembly Lab

Cum funcționează imprimarea 4D?

Imprimarea 4D este puternic inspirată de principiul autoasamblării, care nu este un concept nou. Ați auzit probabil de autoasamblarea moleculară, în care moleculele formează structuri complexe fără nicio intervenție umană. Un concept utilizat pe scară largă și în nanotehnologie, de exemplu. Prin urmare, imprimarea 4D duce acest principiu la nivelul următor. Dacă este posibil ca structuri mici la scară microscopică să se asambleze și să se miște singure, de ce să nu ne imaginăm acest lucru pe obiecte mai mari imprimate 3D?

În timp ce imprimarea 3D produce obiecte care își păstrează forma fixă, imprimarea 4D le va schimba forma, dar și culoarea, dimensiunea, modul în care se mișcă etc. Aceasta utilizează materiale cunoscute în industrie sub numele de materiale „inteligente”, care au fost programate să își schimbe forma sub influența unui factor extern, cel mai adesea temperatura, la fel ca atunci când un computer se supune unui cod. Acest „cod” este așadar adăugat la material și oferă instrucțiuni piesei imprimate 3D. Bastien E. Rapp, președinte al Laboratorului de tehnologie a proceselor NeptunLab, explică: „Imprimarea 4D este forma funcțională a imprimării 3D. În loc să imprimăm doar structuri fizice, acum putem imprima funcții. Este ca și cum ai încorpora o bucată de cod într-un material – odată declanșat, face ceea ce i-ai programat să facă.”

Materiale și tehnologii de imprimare 4D

Materialele de imprimare 4D nu sunt la fel de variate ca și materialele de fabricație aditivă, deoarece tehnologia se află încă în fază incipientă, dar este important de menționat că există diferite. Să începem cu polimerii cu memorie de formă (SMP), care sunt materiale capabile să stocheze o formă macroscopică, să o păstreze pentru o anumită perioadă de timp și să revină la forma inițială sub efectul căldurii, fără nici un fel de deformare reziduală. De asemenea, alți stimuli indirecți pot provoca transformarea: un câmp magnetic, un câmp electric sau scufundarea în apă.

Un alt material de imprimare 4D este reprezentat de elastomerii cu cristale lichide (LCE) care, după cum sugerează și numele lor, conțin cristale lichide sensibile la căldură. Prin controlul orientării acestora, este posibilă programarea formei dorite. Sub efectul temperaturii, materialul se va extinde și se va transforma în conformitate cu codul dictat. Al treilea material sunt hidrogelurile, acestea sunt lanțuri de polimeri compuse în principal din apă, utilizate în special în procesele de fotopolimerizare. Sunt de mare interes pentru sectorul medical datorită biocompatibilității lor.

Câteva procese de imprimare 4D folosesc materiale multiple. Este vorba în principal de materiale compozite care sunt adăugate la SMP sau hidrogeluri, cum ar fi fibrele de carbon sau de lemn. Laboratorul MIT Self-Assembly Lab și-a început cercetările în domeniul imprimării 4D pornind de la o mașină Stratasys Connex, bazată pe principiul jetului de material, un proces multi-material. Desigur, există și alte materiale pentru imprimarea 4D, cum ar fi ceramica, de exemplu, dar am decis să ne concentrăm asupra celor principale.

Credite: Self-Assembly Lab

În cele din urmă, întregul proces de imprimare 4D rezidă în material. Prin urmare, este necesar să se înțeleagă modul în care acesta va reacționa la anumiți stimuli. Bastien E. Rapp explică faptul că „este necesară o foarte bună cunoaștere a materialelor pentru a facilita imprimarea 4D”. Odată ce aceasta este bine integrată, putem utiliza diferite tehnologii de imprimare 3D: stereolitografie, jet de materiale (pentru toate materialele multiple), fabricarea de filamente fuzionate (lucrul cu polimeri). De cele mai multe ori, imprimanta 3D utilizată este o mașină îmbunătățită, capabilă să țină cont de cea de-a 4-a dimensiune. Bastien E. Rapp continuă: „În funcție de complexitatea celei de-a 4-a dimensiuni, poate fi la fel de simplu ca imprimarea a două materiale în paralel. Acest lucru poate implica, de asemenea, încălzirea sau răcirea materialului în timpul procesului de fabricație. Există multe metode, toate necesitând condiții specifice.”

Aplicații ale imprimării 4D

Din moment ce este posibil să se programeze un material inteligent după cum se dorește, se poate părea că aplicațiile imprimării 4D sunt destul de extinse. Imaginați-vă un obiect care poate lua orice formă: tehnologia poate avea apoi un impact în sectorul construcțiilor pentru a construi structuri care să se adapteze la condițiile climatice, bunurile de consum s-ar putea adapta la nevoile oamenilor sau chiar în sectorul medical etc. Una dintre primele idei ale lui Skylar Tibbits a fost aceea de a utiliza imprimarea 4D pentru a realiza țevi inteligente. Aceste țevi ar fi capabile să își schimbe forma în funcție de volumul de apă pe care îl conțin, dar și la apariția oricărui fenomen în subteran. Astfel s-ar evita săparea și schimbarea lor – un proces care necesită mult timp și este foarte costisitor.

Unul dintre sectoarele cele mai interesate de imprimarea 4D este, fără îndoială, sectorul medical. Imprimarea 4D ar putea permite crearea de dispozitive personalizate, inteligente și scalabile. De exemplu, prin imprimarea 4D a unui implant, ar fi mai ușor de controlat starea și viabilitatea acestuia odată integrat de către pacient. Același lucru este valabil pentru toată medicina regenerativă și pentru fabricarea de structuri celulare. Imprimarea 4D ar putea permite celulelor să se adapteze la un corp uman în funcție de temperatura acestuia, de exemplu. Chloé Devillard, care își pregătește în prezent teza la 3d.FAB, ne-a explicat: „Lucrăm cu imprimarea 4D pentru aplicații în domeniul ingineriei tisulare și al medicinei regenerative, cu scopul de a repara organisme vii. În special, o folosesc pentru a reproduce un vas de sânge care să fie cât mai aproape de realitate în ceea ce privește fiziologia, funcția și mecanica. Putem crea construcții care sunt cât se poate de asemănătoare cu ființele vii.”

3d.Fab lucrează în prezent la proiecte de imprimare 4D pentru a crea vase de sânge | Credite: 3d.Fab

În cele din urmă, imaginați-vă un medicament imprimat 4D care ar putea să-și elibereze substanța în funcție de temperatura corpului pacientului. Acesta este unul dintre proiectele de cercetare ale doctorului Fang de la MIT, explică el: „Vrem să folosim temperatura corpului ca un declanșator. Dacă putem proiecta corect polimerii, am putea fi capabili să creăm un dispozitiv de eliberare a medicamentelor care să elibereze medicamentul doar dacă apare febra.”

Sectorul transporturilor, în sensul larg al termenului, este, de asemenea, interesat de imprimarea 4D, fie că este vorba despre industria auto sau aerospațială. În 2018, v-am povestit despre materialul gonflabil care fusese dezvoltat de BMW și MIT, acesta cangerează forma și dimensiunea sub efectul impulsurilor de aer. Un material interesant pentru proiectarea viitoarelor anvelope, de exemplu, capabile să se repare singure în caz de pană sau să se adapteze la cele mai extreme condiții meteorologice. Dincolo de mașini, putem vorbi și despre avioane. O componentă imprimată 4D ar putea reacționa la schimbările de presiune atmosferică sau de temperatură și, prin urmare, și-ar putea schimba funcția – Airbus lucrează în prezent la acest aspect. Gigantul aerospațial explică faptul că aceste componente ar putea înlocui balamalele, actuatoarele hidraulice și, astfel, ar putea reduce considerabil greutatea acestor dispozitive.

Imaginați-vă un scaun care se pliază și se desface singur | Credits: Self-Assembly Lab

În cele din urmă, imprimarea 4D este mai mult decât interesantă pentru toate aplicațiile care necesită un grad ridicat de personalizare, deoarece este posibil să programăm materialul în funcție de nevoile noastre. În acest stadiu, conceptul poate părea ciudat, dar ne-am putea imagina haine care să ia forma reală a corpului nostru, mobilier care se pliază și se desface pentru a economisi spațiu etc.

Viitorul imprimării 4D

Deși plină de promisiuni, această tehnologie are încă multe limite: care este rezistența reală a materialelor inteligente în timp? Își vor mai putea îndeplini sarcinile pe termen lung? Multe companii testează încă acest proces de fabricație și puține dintre ele și-au raportat rezultatele. Bastien E. Rapp ne-a declarat că imprimarea 4D implică o anumită cantitate de cunoștințe foarte tehnice, ceea ce face mai dificilă democratizarea ei la fel de mult ca și fabricarea aditivă. „Având în vedere că este un subiect destul de complex, care necesită un control foarte bun al materialelor și al fabricației, s-ar putea să nu devină la fel de disponibil și accesibil ca și imprimarea 3D în sine. Dar, cu toate acestea, va avea un impact semnificativ asupra industriei.”

BMW a imprimat 4D un material siliconic care se poate umfla singur: este acesta viitorul pneumaticului?