Hur kommer 4D-utskrift att störa våra nuvarande tillverkningstekniker?

I april 2013 höll Skylar Tibbits, grundare av MIT Self-Assembly Lab, en TEDx-konferens där han presenterade ett nytt koncept för 3D-utskriftsprocessen. För första gången introducerade han en fjärde dimension till denna teknik som redan höll på att störa många sektorer. Han förklarade att 4D-utskrift var som att lägga till en ny egenskap till ett material som skulle användas för 3D-utskrift, närmare bestämt var det materialets förmåga att omvandlas med tiden. Tack vare 4D-utskrift kan ett material faktiskt ändra form av sig självt, utan mänsklig inblandning utan helt enkelt under påverkan av externa faktorer som ljus, värme, vibrationer etc.

Sedan dess har 4D-utskrift tilldragit sig intresset från många branscher som ser en stor potential för att skräddarsy anordningar och strukturer. Enligt 2019 års Gartner-rapport ökar intresset för 4D-utskrift. Fram till 2023 bör nystartade företag som fokuserar på denna teknik attrahera 300 miljoner dollar i riskkapital. Så oundvikligen undrar vi inför denna observation hur framtiden för 4D-utskrift kommer att se ut. Kommer den att ersätta additiv tillverkning för vissa tillämpningar? Hur kommer den att påverka branschen?

Detta 3D-utskrivna objekt ändrar gradvis form på grund av externa faktorer. Med andra ord är det ett 4D-utskrivet objekt | Credits:

Hur fungerar 4D-utskrift?

4D-utskrift är starkt inspirerad av principen om självmontering, vilket inte är något nytt koncept. Du har förmodligen hört talas om molekylär självmontering där molekyler bildar komplexa strukturer utan mänsklig inblandning. Ett koncept som används i stor utsträckning även inom nanotekniken till exempel. 4D-utskrift tar därför denna princip till nästa nivå. Om det är möjligt för små strukturer på mikroskopisk skala att sätta ihop sig och röra sig på egen hand, varför inte föreställa sig det på större 3D-utskrivna objekt?

Men medan 3D-utskrift producerar objekt som behåller sin fasta form, kommer 4D-utskrift att förändra deras form, men också deras färg, storlek, sättet de rör sig på osv. Man använder material som i branschen kallas ”intelligenta” material, som har programmerats för att ändra form under påverkan av en extern faktor, oftast temperatur, precis som när en dator lyder en kod. Denna ”kod” läggs alltså till i materialet och ger instruktioner till den 3D-printade delen. Bastien E. Rapp, ordförande för processtekniklaboratoriet NeptunLab, förklarar: ”4D-utskrift är den funktionella formen av 3D-utskrift. I stället för att bara skriva ut fysiska strukturer kan vi nu skriva ut funktioner. Det är som att bädda in en bit kod i ett material – när den väl utlöses gör den vad du har programmerat den att göra.”

4D-utskriftsmaterial och teknik

Material för 4D-utskrift är inte lika varierande som material för additiv tillverkning eftersom tekniken fortfarande befinner sig i sin linda, men det är viktigt att notera att det finns olika sådana. Låt oss börja med polymerer med formminne (SMP), som är material som kan lagra en makroskopisk form, bevara den under en viss tid och återgå till sin ursprungliga form under inverkan av värme, utan någon som helst kvarstående deformation. Andra indirekta stimuli kan också orsaka omvandlingen: ett magnetfält, ett elektriskt fält eller nedsänkning i vatten.

Ett annat 4D-utskriftsmaterial är elastomerer med flytande kristaller (Liquid Crystal Elastomers, LCE) som, som namnet antyder, innehåller värmekänsliga flytande kristaller. Genom att kontrollera deras orientering är det möjligt att programmera den önskade formen. Under inverkan av temperaturen kommer materialet att expandera och omvandlas enligt den dikterade koden. Det tredje materialet är hydrogeler, det är polymerkedjor som huvudsakligen består av vatten och som särskilt används i fotopolymeriseringsprocesser. De är av stort intresse för den medicinska sektorn på grund av sin biokompatibilitet.

Vissa 4D-utskriftsprocesser använder multimaterial. Det är främst kompositer som läggs till SMP eller hydrogeler, till exempel kol- eller träfibrer. MIT Self-Assembly Lab började sin forskning om 4D-utskrift från en Stratasys Connex-maskin, som bygger på principen om materialstrålning, en process med flera material. Naturligtvis finns det andra material för 4D-utskrift, som till exempel keramik, men vi har beslutat att fokusera på de viktigaste.

Credits: Självmonteringslabbet

Slutligen ligger hela 4D-utskriftsprocessen i materialet. Det är därför nödvändigt att förstå hur det kommer att reagera på vissa stimuli. Bastien E. Rapp förklarar att ”en mycket god kunskap om material krävs för att underlätta 4D-utskrift”. När detta är väl integrerat kan vi använda olika 3D-utskriftstekniker: stereolitografi, materialstrålning (för alla multimaterial), tillverkning av smält filament (för arbete med polymerer). Oftast är den 3D-skrivare som används en förbättrad maskin som kan ta hänsyn till den fjärde dimensionen. Bastien E. Rapp fortsätter: ”Beroende på hur komplex den fjärde dimensionen är kan det vara så enkelt som att skriva ut två material parallellt. Det kan också innebära att man värmer eller kyler materialet under tillverkningsprocessen. Det finns många metoder, som alla kräver specifika förhållanden.”

Användningar för 4D-utskrift

Då det är möjligt att programmera ett intelligent material enligt önskemål kan det tyckas att tillämpningarna för 4D-utskrift är ganska omfattande. Föreställ er ett objekt som kan ta vilken form som helst: tekniken kan då påverka byggsektorn för att bygga strukturer som kan anpassas till klimatförhållanden, konsumtionsvaror skulle kunna anpassas till människors behov, eller till och med inom den medicinska sektorn, osv. En av Skylar Tibbits första idéer var att använda 4D-utskrift för att göra intelligenta rör. Dessa rör skulle kunna ändra form beroende på hur mycket vatten de innehåller, men också när något fenomen inträffar under jorden. På så sätt skulle man kunna undvika att gräva upp dem och byta ut dem – en tidskrävande och mycket kostsam process.

En av de sektorer som är mest intresserade av 4D-printing är utan tvekan den medicinska sektorn. 4D-utskrift skulle kunna möjliggöra skapandet av skräddarsydda, intelligenta och skalbara anordningar. Genom att till exempel 4D-printa ett implantat skulle det bli lättare att kontrollera dess skick och livskraft när det väl har integrerats av patienten. Samma sak gäller för all regenerativ medicin och tillverkning av cellstrukturer. Med hjälp av 4D-utskrift skulle cellerna till exempel kunna anpassa sig till en människokropp beroende på dess temperatur. Chloé Devillard, som för närvarande förbereder sin avhandling vid 3d.FAB, förklarade för oss: ”Vi arbetar med 4D-utskrift för tillämpningar inom vävnadsteknik och regenerativ medicin för att reparera levande organismer. Jag använder det särskilt för att reproducera ett blodkärl som ligger så nära verkligheten som möjligt när det gäller fysiologi, funktion och mekanik. Vi kan skapa konstruktioner som är så lika levande varelser som möjligt.”

3d.Fab arbetar för närvarande med 4D-utskriftsprojekt för att skapa blodkärl | Credits: Föreställ dig slutligen ett 4D-tryckt läkemedel som kan frigöra sin substans beroende på patientens kroppstemperatur. Det är ett av dr Fangs forskningsprojekt vid MIT, förklarar han: ”Vi vill använda kroppstemperaturen som utlösare. Om vi kan utforma polymerer på rätt sätt kan vi kanske skapa en läkemedelsleverans som bara släpper ut läkemedlet om det uppstår feber.”

Transportsektorn i vid bemärkelse är också intresserad av 4D-utskrift, oavsett om det är inom bil- eller flygindustrin. Under 2018 berättade vi om det uppblåsbara materialet som hade utvecklats av BMW och MIT, det ändrade form och storlek under inverkan av luftpulser. Ett intressant material för att utforma framtidens däck, som till exempel kan reparera sig själva vid punktering eller anpassa sig till de mest extrema väderförhållanden. Utöver bilar kan vi också tala om flygplan. En 4D-printad komponent skulle kunna reagera på atmosfäriska tryck- eller temperaturförändringar och därmed ändra funktion – Airbus arbetar för närvarande med denna fråga. Flygplansjätten förklarar att dessa komponenter skulle kunna ersätta gångjärn, hydrauliska manöverdon och därmed avsevärt minska vikten på dessa enheter.

Föreställ dig en pall som viks och fälls upp av sig själv | Credits: Slutligen är 4D-utskrift mer än intressant för alla tillämpningar som kräver en hög grad av anpassning eftersom det är möjligt att programmera materialet enligt våra behov. I det här skedet kan konceptet tyckas märkligt, men man kan tänka sig kläder som tar vår kropps verkliga form, möbler som viks och fälls upp för att spara utrymme, osv.

Framtiden för 4D-printing

Trots att den här tekniken är full av löften har den fortfarande många begränsningar: hur motståndskraftigt är intelligenta material verkligen över tid? Kommer de fortfarande att kunna utföra sina uppgifter på lång sikt? Många företag testar fortfarande denna tillverkningsprocess och få har rapporterat sina resultat. Bastien E. Rapp berättade för oss att 4D-utskrift innebär en viss mängd mycket teknisk kunskap, vilket gör det svårare att demokratisera den lika mycket som additiv tillverkning. ”Eftersom detta är ett ganska komplext ämne, som kräver mycket god material- och tillverkningskontroll, blir det kanske inte lika allmänt tillgängligt och lättillgängligt som 3D-utskrift i sig självt. Men det kommer ändå att ha en betydande inverkan på branschen.”

BMW har 4D-printat ett silikonmaterial som kan blåsa upp sig självt: Är detta framtiden för pneumatik?