Wat is 4D-printen en wat is het verschil met 3D-printen?

Image Credit: Made360/.com

Wetenschappers kijken nu naar de vierde dimensie om een nieuwe generatie geprinte slimme materialen te creëren die in staat zijn van vorm te veranderen.

3D Printing vs 4D Printing

Driedimensionaal printen, ook bekend als additive manufacturing, neemt een digitale blauwdruk en maakt er een fysiek object van met behulp van computer-aided design (CAD).

Een zich herhalende 2D-structuur wordt opgebouwd, laag voor laag, van onder naar boven, totdat een 3D-constructie is voltooid. Het afgewerkte object wordt gekenmerkt door zijn stijfheid en onvermogen om van vorm te veranderen, net als een typisch metalen of plastic onderdeel.

Het proces van 4D-printen is in wezen hetzelfde – het maakt gebruik van dezelfde 3D-printers, en de computer voert hetzelfde programma uit om materiaal in opeenvolgende lagen af te zetten totdat een 3D-structuur is gevormd.

Klik hier voor meer informatie over 3D-printtechnologieën.

Het 4D-printen voegt echter een nieuwe dimensie toe, waarbij de structuur in de loop van de tijd van vorm kan veranderen. Het vereist unieke materialen en aangepaste ontwerpen die in het programma moeten worden ingebouwd om de 3D-print aan te zetten tot vormverandering wanneer deze wordt geactiveerd door een specifieke stimulus, zoals warmte, water of licht.

Dit programmeerbare ingrediënt – een hydrogel of vormgeheugenpolymeer – is in staat om zijn fysieke vorm of thermomechanische eigenschappen op programmeerbare wijze te veranderen op basis van gebruikersinput of autonome sensing.

Hydrogels kunnen grote hoeveelheden water absorberen en kunnen worden geprogrammeerd om te krimpen of uit te zetten bij veranderingen in de externe omgeving. Vormgeheugenpolymeren kunnen vanuit een vervormde vorm terugkeren naar hun oorspronkelijke vorm wanneer een prikkel wordt toegepast.

Terwijl 3D-printen de instructies bevat om achtereenvolgens lagen materiaal te printen, voegt 4D-printen een nauwkeurige geometrische code toe aan het proces op basis van de hoeken en afmetingen van de gewenste vorm. Het geeft de vorm geheugen en instructies over hoe te bewegen of aan te passen onder bepaalde omgevingsomstandigheden.

Onderzoek naar 4D-gedrukte vormen

Er zijn veel instellingen en bedrijven die momenteel onderzoek doen naar 4D-gedrukte vormen en hun mogelijke toepassingen.

MIT’s Self-assembly Lab is de thuisbasis van een project dat technologie en ontwerp combineert om zelfassemblage en programmeerbare materiaaltechnologieën uit te vinden om constructie, fabricage, productassemblage en prestaties opnieuw te bedenken.

Eén ontwikkeling ziet een platgedrukte structuur langzaam in een andere vorm vouwen wanneer deze in heet water wordt geplaatst. Hierdoor zouden veel grotere structuren op kleinere schaal kunnen worden geprint om in een later stadium uit te zetten of te ontvouwen.

Het lab heeft onderzoek gedaan naar programmeerbaar hout, dat zou kunnen worden opgeschaald voor zelf-assemblerende meubels. Stel je een 4D-geprinte vlakke plank voor die zich opkrult tot een stoel door water of licht toe te voegen.

Video Credit: Self-Assembly Lab, MIT/Vimeo

De oprichter van het lab, Skylar Tibbits, gelooft dat de technologie een groot potentieel heeft op veel gebieden, waaronder de mode-industrie. Hij denkt aan sportschoenen die afhankelijk van wat je doet van pasvorm veranderen en kleding die afhankelijk van het weer van samenstelling kan veranderen.

Het is echter waarschijnlijker dat je het pad van 4D-printing zult kruisen in de vorm van medische implantaten of mechanische systemen die van configuratie veranderen in verschillende omgevingsomstandigheden.

Onderzoekers aan de universiteit van Wollongong in Australië hebben een 4D-geprinte waterklep ontwikkeld die sluit als hij wordt blootgesteld aan heet water, en weer opengaat als de temperatuur is afgekoeld. De klep maakt gebruik van een hydrogelinkt die snel reageert op warmte.

4D-printen zou kunnen worden gebruikt in de biotechnologie of in de geneeskunde. Zo zouden bijvoorbeeld 4D-geprinte stents in bloedvaten kunnen worden geplaatst en uitzetten wanneer ze het juiste gebied bereiken, waardoor ze extra steun bieden. Ze zouden ook kunnen worden gebruikt in medicijncapsules die van vorm veranderen om het medicijn vrij te geven zodra ze hun bestemming hebben bereikt.

Lees meer: Een raket bouwen in 60 dagen: The Future of 3D Printing in Aerospace

Onderzoekers aan The George Washington University hebben een soort 4D-printbare, foto-uithardende vloeibare hars ontwikkeld van een hernieuwbare soja-olie geëpoxideerde acrylaatverbinding. Dit zou kunnen worden gebruikt als een steiger voor de groei van beenmergstamcellen.

Andere medische toepassingen zouden zelf-herconfigurerende proteïnen of zelf-vouwende proteïnen kunnen zijn – een ander project van MIT’s Self-assembly Lab.

Aanvullende toepassingen zijn onder meer zelf-reparerende pijpen die hun diameter veranderen in reactie op de vraag naar water en de stroomsnelheid, en die scheuren of breuken in zichzelf genezen. Dergelijke materialen zouden voordelig zijn in extreme omgevingen zoals de ruimte, omdat de transformeerbare vormen van 4D-geprinte materialen het mogelijk zouden maken om bruggen en schuilplaatsen te bouwen, of de mogelijkheid van zelfherstel wanneer beschadigd door het weer.

Architectuur zou ook kunnen profiteren, omdat adaptieve gevels of zelfopenende/sluitende daken die worden geactiveerd door het weer ook tot de toekomstige toepassingen behoren.

De toekomst van 4D-printing

4D-printingtechnologie bevindt zich nog steeds in een vroeg stadium van onderzoek en ontwikkeling.

Momenteel zijn de enige plaatsen waar 4D-geprinte vormen waarschijnlijk zullen worden ondergebracht laboratoria en prototypingfaciliteiten, evenals sommige architectuurtentoonstellingen en kunstinstallaties.

De toekomst ziet er veelbelovend uit en, net als bij 3D-printen, is de lijst van mogelijke toepassingen enorm. Het gebruik van dergelijke slimme materialen zou een revolutie teweeg kunnen brengen in de wereld van materialen zoals we die kennen.

Referenties en verdere lectuur

Disclaimer: De hier geuite standpunten zijn die van de auteur uitgedrukt in hun prive-capaciteit en vertegenwoordigen niet noodzakelijkerwijs de standpunten van AZoM.com Limited T/A AZoNetwork de eigenaar en exploitant van deze website. Deze disclaimer maakt deel uit van de gebruiksvoorwaarden van deze website.