-
Kerry Taylor-Smith, B.Sc. (Hons)Jun 17 2020
Image Credit: Made360/.com
A tudósok most a negyedik dimenzióban keresik az alakváltoztatásra képes nyomtatott intelligens anyagok új generációját.
3D nyomtatás vs. 4D nyomtatás
A háromdimenziós nyomtatás, más néven additív gyártás, egy digitális tervrajzot vesz alapul, és azt számítógépes tervezés (CAD) segítségével fizikai tárgyakká alakítja.
Egy ismétlődő 2D szerkezetet rétegről rétegre, alulról felfelé építik fel, amíg a 3D konstrukció elkészül. A kész tárgyat a merevség és az alakváltoztatásra való képtelenség jellemzi, hasonlóan bármely tipikus fém- vagy műanyag alkatrészhez.
A 4D nyomtatás folyamata lényegében ugyanaz – ugyanazokat a 3D nyomtatókat használja, és a számítógép ugyanazt a programot futtatja, hogy az anyagot egymást követő rétegekben rakja le, amíg a 3D szerkezet létre nem jön.
Kattintson ide, ha többet szeretne megtudni a 3D nyomtatási technológiákról.
A 4D nyomtatás azonban egy új dimenzióval bővül, ahol a szerkezet idővel megváltoztathatja az alakját. Ehhez egyedi anyagokat és testre szabott terveket kell beépíteni a programba, hogy a 3D-nyomtatás egy adott inger – például hő, víz vagy fény – hatására változtassa meg alakját.
Ez a programozható összetevő – egy hidrogél vagy alakemlékező polimer – képes fizikai alakját vagy termomechanikai tulajdonságait programozható módon megváltoztatni a felhasználó inputja vagy autonóm érzékelése alapján.
A hidrogélek nagy mennyiségű vizet képesek elnyelni, és a külső környezet változásával zsugorodni vagy tágulni programozhatók. Az alakmemória-polimerek egy deformált alakból vissza tudnak térni eredeti alakjukba, ha egy inger éri őket.
Míg a 3D nyomtatás az anyagrétegek egymás utáni nyomtatásának utasításait tartalmazza, a 4D nyomtatás a kívánt alak szögei és méretei alapján pontos geometriai kódot ad a folyamathoz. Ez memóriát és utasításokat ad az alaknak arra vonatkozóan, hogyan mozogjon vagy alkalmazkodjon bizonyos környezeti feltételek mellett.
Kutatás a 4D-nyomtatott formákkal kapcsolatban
A 4D-nyomtatott formákkal és azok lehetséges alkalmazásaival kapcsolatban jelenleg számos intézmény és vállalat folytat kutatásokat.
A MIT Self-assembly Lab (önösszeszerelő laboratórium) ad otthont egy olyan projektnek, amely a technológiát és a formatervezést ötvözi, hogy feltalálja az önösszeszerelést és a programozható anyagtechnológiákat az építés, a gyártás, a termékek összeszerelése és a teljesítmény újragondolása érdekében.
Az egyik fejlesztés szerint egy lapos nyomtatott szerkezet lassan egy másik alakzatba hajtódik, amikor forró vízbe helyezik. Ez lehetővé teheti, hogy sokkal nagyobb szerkezeteket nyomtassanak kisebb méretben, hogy később bővíthessék vagy kibontakoztathassák őket.
A laboratóriumban programozható fát kutatnak, amelyet az önösszeszerelő bútorokhoz lehetne méretezni. Képzeljünk el egy 4D-nyomtatott lapos deszkát, amely víz vagy fény hozzáadásával székké gömbölyödik.
Video Credit: Self-Assembly Lab, MIT/Vimeo
A labor alapítója, Skylar Tibbits szerint a technológia számos területen, többek között a divatiparban is nagy lehetőségeket rejt magában. Olyan edzőcipőket képzel el, amelyek attól függően változtatják az illeszkedésüket a lábunkon, hogy éppen mit csinálunk, és olyan ruhadarabokat, amelyek az időjárás függvényében képesek megváltoztatni az összetételüket.
A 4D nyomtatással azonban sokkal valószínűbb, hogy orvosi implantátumok vagy olyan mechanikai rendszerek formájában fogunk találkozni, amelyek különböző környezeti körülmények között változtatják a konfigurációjukat.
Az ausztráliai Wollongong Egyetem kutatói olyan 4D-nyomtatott vízszelepet fejlesztettek ki, amely forró víz hatására bezáródik, majd újra kinyílik, amint a hőmérséklet lehűl. Olyan hidrogél tintát használnak, amely hő hatására gyorsan reagál.
A 4D-nyomtatást a biotechnológiában vagy az orvostudományban lehetne alkalmazni. Például 4D-nyomtatott sztenteket lehetne elhelyezni az erekbe, amelyek kitágulnak, amikor elérik a megfelelő területet, és extra támogatást adnak. Használhatók olyan gyógyszerkapszulákban is, amelyek megváltoztatják alakjukat, hogy a rendeltetési helyükre érve felszabadítsák a gyógyszert.
Bővebben: Rakétaépítés 60 nap alatt: A George Washington Egyetem kutatói egy megújuló szójaolajjal epoxidált akrilátvegyületből kifejlesztettek egyfajta 4D-nyomtatható, fényre keményedő folyékony gyantát. Ezt a csontvelői őssejtek növekedésének állványzataként lehetne használni.
Az orvosi alkalmazások közé tartozhatnak még az önrekonfiguráló fehérjék vagy az önhajtogató fehérjék – az MIT Self-assembly Lab másik projektje.
A további felhasználási lehetőségek közé tartoznak az önjavító csövek, amelyek a vízigény és az áramlási sebesség függvényében változtatják átmérőjüket, és önmagukban gyógyítják a repedéseket vagy töréseket. Az ilyen anyagok előnyösek lennének szélsőséges környezetben, például az űrben, mivel a 4D-nyomtatott anyagok átalakítható formái lehetővé tennék hidak és menedékhelyek építését, vagy az időjárás által okozott károk esetén az önjavítás lehetőségét.
Az építészet is profitálhatna belőle, mivel az adaptív homlokzatok vagy az időjárás hatására aktiválódó, önnyitó/záródó tetők szintén a jövőbeli alkalmazások között szerepelnek.
A 4D nyomtatás jövője
A 4D nyomtatási technológia még nagyon is a kutatás és fejlesztés korai szakaszában van.
Pillanatnyilag a 4D-nyomtatott formákat valószínűleg csak laboratóriumok és prototípusgyártó létesítmények, valamint néhány építészeti kiállítás és művészeti installáció fogadja.
A jövő ígéretesnek tűnik, és a 3D nyomtatáshoz hasonlóan a lehetséges alkalmazások listája hatalmas. Az ilyen intelligens anyagok használata forradalmasíthatja az általunk ismert anyagok világát.
Hivatkozások és további olvasnivalók
Disclaimer: Az itt kifejtett nézetek a szerző magánjellegűek, és nem feltétlenül képviselik az AZoM.com Limited T/A AZoNetwork, a weboldal tulajdonosának és üzemeltetőjének nézeteit. Ez a kizáró nyilatkozat a weboldal használati feltételeinek részét képezi.
Az író
Kerry Taylor-Smith
Kerry 2016 óta szabadúszó író, szerkesztő és lektor, szakterülete a tudomány és az egészségügy. A Bath-i Egyetemen szerzett természettudományi diplomát, és az Egyesült Királyságban él.
Citációk