Mikä on 4D-tulostus ja miten se eroaa 3D-tulostuksesta?

Image Credit: Made360/.com

Tutkijat katsovat nyt neljänteen ulottuvuuteen luodakseen uuden sukupolven tulostettuja älykkäitä materiaaleja, jotka pystyvät muuttamaan muotoaan.

3D-tulostus vs. 4D-tulostus

Kolmiulotteisessa tulostuksessa, joka tunnetaan myös nimellä additiivinen valmistus, otetaan digitaalinen piirros ja muutetaan se fyysiseksi esineeksi tietokoneavusteisen suunnittelun (CAD) avulla.

Toistuva 2D-rakenne rakennetaan kerros kerrokselta alhaalta ylöspäin, kunnes 3D-rakenne on valmis. Valmiille esineelle on ominaista sen jäykkyys ja kyvyttömyys muuttaa muotoaan, aivan kuten mille tahansa tyypilliselle metalli- tai muoviosalle.

4D-tulostusprosessi on pohjimmiltaan samanlainen – siinä käytetään samoja 3D-tulostimia, ja tietokone ajaa samaa ohjelmaa materiaalin asettamiseksi peräkkäisinä kerroksina, kunnes 3D-rakenne on muodostunut.

Klikkaamalla tästä saat lisätietoja 3D-tulostusteknologiasta.

Click here to find more about 3D printing technologies.

Vaikka että 4D-tulostaminen tuo mukaan vielä yhden uuden ulottuvuuden, jossa rakenteen rakenne pystyy muuttamaan muotoaan ajan myötä. Se edellyttää, että ohjelmaan rakennetaan ainutlaatuisia materiaaleja ja räätälöityjä malleja, jotka kehottavat 3D-tulostusta muuttamaan muotoaan tietyn ärsykkeen, kuten lämmön, veden tai valon, laukaistessa.

Tämä ohjelmoitava ainesosa – hydrogeeli tai muotomuistipolymeeri – pystyy muuttamaan fysikaalista muotoaan tai termomekaanisia ominaisuuksiaan ohjelmoitavissa olevalla tavalla käyttäjän syötteen tai itsenäisen tunnistuksen perusteella.

Hydrogeelit pystyvät imemään itseensä suuria määriä vettä, ja ne pystytään ohjelmoimaan niin, että ne voivat kutistua tai paisua ulkoisen ympäristön muutosten myötä. Muodonmuistipolymeerit voivat palata alkuperäiseen muotoonsa deformoituneesta muodosta, kun niihin kohdistetaan ärsyke.

Vaikka 3D-tulostus sisältää ohjeet materiaalikerrosten tulostamiseen peräkkäin, 4D-tulostus lisää prosessiin tarkan geometrisen koodin, joka perustuu halutun muodon kulmiin ja mittoihin. Se antaa muodolle muistin ja ohjeet siitä, miten se voi liikkua tai sopeutua tietyissä ympäristöolosuhteissa.

4D-tulostettujen muotojen tutkimus

Tässä vaiheessa monet laitokset ja yritykset tutkivat 4D-tulostettuja muotoja ja niiden mahdollisia sovelluksia.

MIT:n Self-assembly Labissa on käynnissä teknologiaa ja muotoilua yhdistävä hanke, jossa keksitään itsekokoonpano- ja ohjelmoitavia materiaalitekniikoita rakentamisen, valmistuksen, tuotteiden kokoonpanon ja suorituskyvyn uudelleenkeksimiseksi.

Yksi kehityskohteeksi on kehitetty litteäpintainen tulostettu rakenne, joka taittuu hitaasti toiseen muotoon, kun se asetetaan kuumaan veteen. Tämä voisi mahdollistaa paljon suurempien rakenteiden tulostamisen pienemmässä mittakaavassa, jotta niitä voitaisiin laajentaa tai taittaa myöhemmin.

Laboratorio on tutkinut ohjelmoitavaa puuta, jota voitaisiin skaalata itsekokoavia huonekaluja varten. Kuvittele 4D-tulostettu litteä lauta, joka käpertyy tuoliksi lisäämällä vettä tai valoa.

Video Credit: Self-Assembly Lab, MIT/Vimeo

Laboratorion perustaja Skylar Tibbits uskoo, että teknologialla on suuri potentiaali monilla aloilla, kuten muotiteollisuudessa. Hän visioi jalkineita, jotka muuttavat istuvuuttaan jalassa sen mukaan, mitä olet tekemässä, ja vaatteita, jotka voivat muuttaa koostumustaan sään mukaan.

Mutta todennäköisempää on, että 4D-tulostuksen kanssa törmää lääketieteellisten implanttien tai mekaanisten järjestelmien muodossa, jotka muuttavat kokoonpanoaan erilaisissa ympäristöolosuhteissa.

Australialaisen Wollongongin yliopiston tutkijat ovat kehitelleet 4D-tulostetun vesiventtiilin, joka sulkeutuu, kun se altistuu kuumalle vedelle, ja aukeaa uudelleen lämpötilan jäähdyttyä. Siinä käytetään hydrogeelimustetta, joka reagoi nopeasti kuumuudessa.

4D-tulostusta voitaisiin käyttää biotekniikassa tai lääketieteessä. Esimerkiksi 4D-tulostetut stentit voitaisiin sijoittaa verisuoniin ja ne voisivat laajentua, kun ne saavuttavat oikean alueen, ja lisätä lisätukea. Niitä voitaisiin käyttää myös lääkekapseleissa, jotka muuttavat muotoaan ja vapauttavat lääkkeen saavuttuaan määränpäähänsä.

Lue lisää: Raketin rakentaminen 60 päivässä: The Future of 3D Printing in Aerospace

The George Washington Universityn tutkijat ovat kehittäneet eräänlaisen 4D-tulostettavan, valokovetteisen nestemäisen hartsin uusiutuvasta soijaöljyn epoksidoidusta akrylaattiyhdisteestä. Tätä voitaisiin käyttää telineenä luuytimen kantasolujen kasvattamiseen.

Muihin lääketieteellisiin sovelluksiin voisivat kuulua itsekorjautuvat proteiinit tai itsestään taittuvat proteiinit – toinen MIT:n Self-assembly Labin hanke.

Lisäkäyttökohteisiin kuuluvat itsekorjautuvat putket, jotka muuttavat halkaisijansa vedentarpeen ja virtausnopeuden mukaan ja parantavat itsestään halkeamat tai murtumat. Tällaisista materiaaleista olisi hyötyä ääriolosuhteissa, kuten avaruudessa, sillä 4D-tulostettujen materiaalien muunneltavat muodot mahdollistaisivat siltojen ja suojien rakentamisen tai mahdollisuuden itsekorjautumiseen sään vaurioittamana.

Arkkitehtuuri voisi myös hyötyä, sillä sopeutuvat julkisivut tai itsestään avautuvat/sulkeutuvat katot, jotka aktivoituvat sään mukaan, kuuluvat myös tulevaisuuden sovelluksiin.

4D-tulostuksen tulevaisuus

4D-tulostustekniikka on vielä hyvin varhaisessa tutkimus- ja kehitysvaiheessa.

Tällä hetkellä ainoat paikat, joihin 4D-tulostettuja muotoja todennäköisesti sijoitetaan, ovat laboratoriot ja prototyyppilaitokset sekä jotkin arkkitehtuurinäyttelyt ja taideinstallaatiot.

Tulevaisuus näyttäytyy lupaavana, ja 3D-tulostuksen tavoin mahdollisten sovelluskohteiden luettelo on valtava. Tällaisten älykkäiden materiaalien käyttö voi mullistaa materiaalimaailman sellaisena kuin me sen tunnemme.

Viittaukset ja lisälukemisto

Vastuuvapauslauseke: Tässä ilmaistut näkemykset ovat kirjoittajan yksityishenkilönä ilmaisemia näkemyksiä, eivätkä ne välttämättä edusta tämän verkkosivuston omistajan ja ylläpitäjän AZoM.com Limited T/A AZoNetworkin näkemyksiä. Tämä vastuuvapauslauseke on osa tämän verkkosivuston käyttöehtoja.

Sitaatit