-
Af Kerry Taylor-Smith, B.Sc. (Hons)Jun 17 2020
Billede: Made360/.com
Forskere kigger nu på den fjerde dimension for at skabe en ny generation af printede smarte materialer, der kan ændre deres form.
3D-print vs. 4D-print
Tredimensionel printning, også kendt som additiv fremstilling, tager et digitalt blåtryk og forvandler det til et fysisk objekt ved hjælp af computerstøttet design (CAD).
En gentagende 2D-struktur bygges op, lag for lag, fra bund til top, indtil en 3D-konstruktion er færdig. Det færdige objekt er kendetegnet ved sin stivhed og manglende evne til at ændre form, ligesom en typisk metal- eller plastdel.
Processen for 4D-printning er i bund og grund den samme – der anvendes de samme 3D-printere, og computeren kører det samme program til at deponere materiale i successive lag, indtil der er dannet en 3D-struktur.
Klik her for at få mere at vide om 3D-printteknologier.
Den 4D-printning tilføjer dog en ny dimension, hvor strukturen kan ændre form over tid. Det kræver unikke materialer og tilpassede designs, der skal indbygges i programmet for at få 3D-printet til at ændre form, når det udløses af en bestemt stimulus, f.eks. varme, vand eller lys.
Denne programmerbare ingrediens – en hydrogel eller polymer med formhukommelse – er i stand til at ændre sin fysiske form eller termomekaniske egenskaber på en programmerbar måde baseret på brugerinput eller autonom aftastning.
Hydrogels kan absorbere store mængder vand og kan programmeres til at krympe eller udvide sig ved ændringer i det ydre miljø. Polymerer med formhukommelse kan vende tilbage til deres oprindelige form fra en deformeret form, når der påføres en stimulus.
Mens 3D-printning indeholder instruktionerne til at printe lag af materiale successivt, tilføjer 4D-printning en præcis geometrisk kode til processen baseret på vinkler og dimensioner af den ønskede form. Det giver formen hukommelse og instruktioner om, hvordan den skal bevæge sig eller tilpasse sig under bestemte miljøforhold.
Forskning i 4D-printede former
Der er mange institutioner og virksomheder, der i øjeblikket forsker i 4D-printede former og deres mulige anvendelser.
MIT’s Self-assembly Lab er hjemsted for et projekt, der kombinerer teknologi og design for at opfinde teknologier til selvmontering og programmerbare materialer med henblik på at nytænke konstruktion, fremstilling, produktmontering og ydeevne.
En udvikling ser en flad printet struktur langsomt folde sig ind i en anden konformation, når den placeres i varmt vand. Dette kunne gøre det muligt at udskrive meget større strukturer i mindre skala for at udvide eller folde sig ud på et senere tidspunkt.
Laboratoriet har forsket i programmerbart træ, som kunne opskaleres til selvmonteringsmøbler. Forestil dig et 4D-printet fladt bræt, der krøller sig sammen til en stol ved at tilsætte vand eller lys.
Video Credit: Self-Assembly Lab, MIT/Vimeo
Laboratoriets grundlægger, Skylar Tibbits, mener, at teknologien har et stort potentiale på mange områder, herunder modeindustrien. Han forestiller sig kondisko, der ændrer pasform på dine fødder afhængigt af, hvad du laver, og tøj, der kan ændre sin sammensætning som reaktion på vejret.
Det er dog mere sandsynligt, at du vil krydse stier med 4D-printning i form af medicinske implantater eller mekaniske systemer, der ændrer konfiguration under forskellige miljøforhold.
Forskere på University of Wollongong i Australien har udviklet en 4D-printet vandventil, der lukker, når den udsættes for varmt vand, og åbner igen, når temperaturen er afkølet. Den anvender et hydrogelblæk, der reagerer hurtigt under varme.
4D-printning kan anvendes inden for bioteknologi eller medicin. F.eks. kunne 4D-printede stents placeres i blodkar og udvides, når de når det rette område, og tilføre ekstra støtte. De kunne også bruges i medicinkapsler, der ændrer form for at frigive medicinen, når de når frem til deres bestemmelsessted.
Læs mere: Bygning af en raket på 60 dage: Forskere ved The George Washington University har udviklet en type 4D-printbar, fotohærdbar flydende harpiks af en fornybar, epoxideret akrylatforbindelse af sojabønneolie, som kan printes i 4D. Dette kunne bruges som et stillads til vækst af knoglemarvsstamceller.
Andre medicinske anvendelser kunne omfatte selvrekonfigurerende proteiner eller selvfoldende proteiner – et andet projekt fra MIT’s Self-assembly Lab.
Andre anvendelser omfatter selvreparerende rør, der ændrer deres diameter som reaktion på vandbehovet og vandgennemstrømningshastigheden og heler revner eller brud i sig selv. Sådanne materialer ville være fordelagtige i ekstreme miljøer som f.eks. i rummet, da de 4D-printede materialers transformerbare former ville gøre det muligt at bygge broer og beskyttelsesrum eller give mulighed for selvreparation, når de bliver beskadiget af vejret.
Arkitekturen kunne også drage fordel heraf, da adaptive facader eller selvåbnende/lukkende tage, der aktiveres af vejret, også er blandt de fremtidige anvendelser.
Fremtiden for 4D-print
4D-printteknologien befinder sig stadig meget tidligt i forsknings- og udviklingsfasen.
På nuværende tidspunkt er de eneste steder, der sandsynligvis vil rumme 4D-printede former, laboratorier og prototypefaciliteter samt nogle arkitektoniske udstillinger og kunstinstallationer.
Fremtiden ser lovende ud, og ligesom med 3D-print er listen over mulige anvendelser enorm. Brugen af sådanne intelligente materialer kan revolutionere den verden af materialer, som vi kender den.
Referencer og yderligere læsning
Disclaimer: De synspunkter, der kommer til udtryk her, er forfatterens egne, der er udtrykt i deres private egenskab, og repræsenterer ikke nødvendigvis synspunkterne hos AZoM.com Limited T/A AZoNetwork, ejeren og operatøren af dette websted. Denne ansvarsfraskrivelse er en del af vilkårene og betingelserne for brug af dette websted.
Skrevet af
Kerry Taylor-Smith
Kerry har været freelanceforfatter, redaktør og korrekturlæser siden 2016 med speciale inden for videnskab og sundhedsrelaterede emner. Hun har en uddannelse i naturvidenskab fra University of Bath og er baseret i Storbritannien.
Citationer