Co je 4D tisk a jak se liší od 3D tisku?

Obrázek: Made360/.com

Vědci nyní hledají čtvrtý rozměr, aby vytvořili novou generaci tištěných inteligentních materiálů schopných měnit svůj tvar.

3D tisk vs. 4D tisk

Třírozměrný tisk, známý také jako aditivní výroba, využívá digitální plán a proměňuje jej ve fyzický objekt pomocí počítačem podporovaného navrhování (CAD).

Opakující se 2D struktura se vytváří vrstvu po vrstvě zdola nahoru, dokud není 3D konstrukce kompletní. Hotový objekt se vyznačuje tuhostí a neschopností měnit tvar, podobně jako jakýkoli typický kovový nebo plastový díl.

Proces 4D tisku je v podstatě stejný – využívá stejné 3D tiskárny a počítač spouští stejný program, který ukládá materiál v postupných vrstvách, dokud nevznikne 3D struktura.

Klikněte sem a zjistěte více o technologiích 3D tisku.

4D tisk však přidává nový rozměr, kdy struktura může v průběhu času měnit svůj tvar. Vyžaduje to, aby byly do programu zabudovány jedinečné materiály a přizpůsobené konstrukce, které 3D tisk přimějí ke změně tvaru, když je vyvolán určitým podnětem, například teplem, vodou nebo světlem.

Tato programovatelná složka – hydrogel nebo polymer s tvarovou pamětí – je schopna měnit svůj fyzikální tvar nebo termomechanické vlastnosti programovatelným způsobem na základě uživatelského vstupu nebo autonomního snímání.

Hydrogely mohou absorbovat velké množství vody a mohou být naprogramovány tak, aby se smršťovaly nebo rozpínaly při změnách vnějšího prostředí. Polymery s tvarovou pamětí se mohou po aplikaci podnětu vrátit z deformovaného tvaru do původního.

Zatímco 3D tisk obsahuje instrukce pro postupný tisk vrstev materiálu, 4D tisk přidává do procesu přesný geometrický kód založený na úhlech a rozměrech požadovaného tvaru. Ten dává tvaru paměť a instrukce, jak se má pohybovat nebo přizpůsobovat za určitých podmínek prostředí.

Výzkum forem tištěných 4D tiskem

V současné době existuje mnoho institucí a společností, které se zabývají výzkumem forem tištěných 4D tiskem a jejich možným využitím.

V laboratoři Self-assembly Lab na Massachusettském technologickém institutu (MIT) probíhá projekt kombinující technologie a design, jehož cílem je vynalézt technologie samosestavování a programovatelných materiálů, které umožní nově pojmout konstrukci, výrobu, montáž výrobků a jejich výkonnost.

Jedním z vývojových projektů je plochá vytištěná struktura, která se po vložení do horké vody pomalu skládá do jiné konformace. To by mohlo umožnit tisk mnohem větších struktur v menším měřítku, které by se později mohly rozšířit nebo rozložit.

Laboratoř zkoumá programovatelné dřevo, které by se dalo zvětšit pro samočinnou montáž nábytku. Představte si 4D vytištěnou plochou desku, která se přidáním vody nebo světla stočí do židle.

Video Credit: Self-Assembly Lab, MIT/Vimeo

Zakladatel laboratoře Skylar Tibbits věří, že tato technologie má velký potenciál v mnoha oblastech, včetně módního průmyslu. Představuje si tenisky, které mění svůj tvar na noze podle toho, co právě děláte, a oblečení, které může měnit své složení v závislosti na počasí.

Je však pravděpodobnější, že se s 4D tiskem setkáte v podobě lékařských implantátů nebo mechanických systémů, které mění konfiguraci v různých podmínkách prostředí.

Výzkumníci z australské University of Wollongong vyvinuli 4D tištěný vodní ventil, který se po vystavení horké vodě uzavře a po ochlazení se opět otevře. Používá hydrogelový inkoust, který za tepla rychle reaguje.

4D tisk by mohl být využit v biotechnologiích nebo v medicíně. Například stenty vytištěné 4D tiskem by mohly být umístěny do krevních cév a po dosažení správné oblasti by se roztáhly a dodaly dodatečnou podporu. Mohly by se také použít v kapslích na léky, které změní tvar a uvolní lék, jakmile dosáhnou svého cíle.

Přečtěte si více: Zkonstruujte raketu za 60 dní: Vědci z Univerzity George Washingtona vyvinuli typ 4D tisknutelné, fototvrdnoucí kapalné pryskyřice z obnovitelné epoxidované akrylátové sloučeniny na bázi sójového oleje

. Ta by mohla být použita jako lešení pro růst kmenových buněk kostní dřeně.

Další lékařské aplikace by mohly zahrnovat samoregenerační proteiny nebo samoskládací proteiny – další projekt z laboratoře MIT Self-assembly Lab.

Další využití zahrnuje samoregenerační potrubí, které mění svůj průměr v závislosti na potřebě a průtoku vody a samo zaceluje praskliny nebo zlomy. Takové materiály by byly výhodné v extrémních prostředích, jako je vesmír, protože transformovatelné tvary 4D tištěných materiálů by umožnily stavbu mostů a přístřešků nebo možnost samoopravy při poškození vlivem počasí.

Přínosem by mohla být i architektura, protože mezi budoucí aplikace patří také adaptivní fasády nebo samootevírací/zavírací střechy, které se aktivují vlivem počasí.

Budoucnost 4D tisku

Technologie 4D tisku je stále ve velmi rané fázi výzkumu a vývoje.

V současné době jsou jedinými místy, kde se pravděpodobně budou nacházet formy vytištěné 4D tiskem, laboratoře a prototypová zařízení a také některé architektonické výstavy a umělecké instalace.

Budoucnost vypadá slibně a stejně jako u 3D tisku je seznam možných aplikací obrovský. Použití těchto inteligentních materiálů by mohlo způsobit revoluci ve světě materiálů, jak ho známe.

Reference a další literatura

Vyjádření: Názory zde vyjádřené jsou názory autora, které vyjádřil jako soukromá osoba, a nemusí nutně vyjadřovat názory společnosti AZoM.com Limited T/A AZoNetwork, vlastníka a provozovatele těchto webových stránek. Toto prohlášení o vyloučení odpovědnosti je součástí podmínek používání těchto webových stránek.

Citace

Podrobněji o ní viz níže.