Czym jest Druk 4D i czym różni się od Druku 3D?

Image Credit: Made360/.com

Naukowcy spoglądają teraz w stronę czwartego wymiaru, aby stworzyć nową generację drukowanych inteligentnych materiałów zdolnych do zmiany swojego kształtu.

Drukowanie 3D vs Drukowanie 4D

Drukowanie trójwymiarowe, znane również jako produkcja addytywna, bierze cyfrowy projekt i zamienia go w obiekt fizyczny za pomocą projektowania wspomaganego komputerowo (CAD).

Powtarzająca się struktura 2D jest budowana, warstwa po warstwie, od dołu do góry, aż konstrukcja 3D jest kompletna. Gotowy obiekt charakteryzuje się sztywnością i niezdolnością do zmiany kształtu, podobnie jak każda typowa część metalowa lub plastikowa.

Proces drukowania 4D jest zasadniczo taki sam – wykorzystuje te same drukarki 3D, a komputer uruchamia ten sam program do deponowania materiału w kolejnych warstwach, aż powstanie struktura 3D.

Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o technologiach drukowania 3D.

Drukowanie 4D dodaje jednak nowy wymiar, w którym struktura może zmieniać swój kształt w czasie. Wymaga to unikalnych materiałów i niestandardowych projektów, które mają być wbudowane w program, aby skłonić druk 3D do zmiany kształtu, gdy zostanie on wywołany przez określony bodziec, taki jak ciepło, woda lub światło.

Ten programowalny składnik – hydrożel lub polimer z pamięcią kształtu – jest w stanie zmienić swój kształt fizyczny lub właściwości termomechaniczne w programowalny sposób w oparciu o dane wprowadzone przez użytkownika lub autonomiczne wykrywanie.

Hydrożele mogą wchłonąć duże ilości wody i mogą być zaprogramowane do kurczenia się lub rozszerzania wraz ze zmianami w środowisku zewnętrznym. Polimery z pamięcią kształtu mogą powrócić do swojego pierwotnego kształtu ze zdeformowanego, gdy zastosowany zostanie bodziec.

Podczas gdy druk 3D zawiera instrukcje drukowania kolejnych warstw materiału, druk 4D dodaje do procesu precyzyjny kod geometryczny oparty na kątach i wymiarach pożądanego kształtu. Daje to kształtowi pamięć i instrukcje, jak się poruszać lub dostosować w określonych warunkach środowiskowych.

Badania nad formami drukowanymi 4D

Istnieje wiele instytucji i firm prowadzących obecnie badania nad formami drukowanymi 4D i ich możliwymi zastosowaniami.

MIT’s Self-assembly Lab jest domem dla projektu łączącego technologię i projektowanie w celu wynalezienia technologii samozłożenia i programowalnych materiałów, aby ponownie wyobrazić sobie konstrukcję, produkcję, montaż produktów i wydajność.

Jeden z projektów widzi płaską, drukowaną strukturę powoli składającą się w inny kształt po umieszczeniu w gorącej wodzie. Mogłoby to pozwolić na drukowanie znacznie większych struktur na mniejszą skalę w celu rozszerzenia lub rozłożenia na późniejszym etapie.

Laboratorium prowadzi badania nad programowalnym drewnem, które mogłoby być skalowane do samodzielnego montażu mebli. Wyobraźmy sobie wydrukowaną w technologii 4D płaską deskę, która po dodaniu wody lub światła zwija się w krzesło.

Video Credit: Self-Assembly Lab, MIT/Vimeo

Założyciel laboratorium, Skylar Tibbits, uważa, że technologia ta ma ogromny potencjał w wielu dziedzinach, w tym w przemyśle modowym. Wyobraża sobie trenerów, którzy zmieniają swoje dopasowanie do stóp w zależności od tego, co robimy, oraz ubrania, które mogą zmieniać swój skład w odpowiedzi na pogodę.

Jednakże bardziej prawdopodobne jest, że skrzyżujesz ścieżki z drukiem 4D w postaci implantów medycznych lub systemów mechanicznych, które zmieniają konfigurację w różnych warunkach środowiskowych.

Badacze z University of Wollongong w Australii opracowali wydrukowany w technologii 4D zawór wodny, który zamyka się po wystawieniu na działanie gorącej wody i otwiera się ponownie po ochłodzeniu temperatury. Wykorzystuje on atrament hydrożelowy, który szybko reaguje pod wpływem ciepła.

Drukowanie 4D może być stosowane w biotechnologii lub w medycynie. Na przykład stenty z nadrukiem 4D mogłyby być umieszczane w naczyniach krwionośnych i rozszerzać się po dotarciu do właściwego obszaru, dodając dodatkowe wsparcie. Mogą być również wykorzystywane w kapsułkach z lekami, które zmieniają kształt, aby uwolnić lek po dotarciu do celu.

Czytaj dalej: Building a Rocket in 60 Days: The Future of 3D Printing in Aerospace

Badacze z The George Washington University opracowali rodzaj drukowalnej w technologii 4D, fotoutwardzalnej ciekłej żywicy z odnawialnego związku akrylanu epoksydowanego oleju sojowego. Mogłoby to być wykorzystane jako rusztowanie dla wzrostu komórek macierzystych szpiku kostnego.

Inne zastosowania medyczne mogą obejmować samorekonfigurujące się białka lub samoskładające się białka – inny projekt z MIT’s Self-assembly Lab.

Dodatkowe zastosowania obejmują samonaprawiające się rury, które zmieniają swoją średnicę w odpowiedzi na zapotrzebowanie na wodę i szybkość przepływu, i leczą pęknięcia lub przerwy w sobie. Takie materiały byłyby korzystne w ekstremalnych środowiskach, takich jak przestrzeń kosmiczna, ponieważ przekształcalne kształty materiałów drukowanych w technologii 4D pozwoliłyby na budowę mostów i schronów lub możliwość samonaprawy po uszkodzeniu przez pogodę.

Architektura mogłaby również skorzystać, ponieważ adaptacyjne fasady lub samootwierające/zamykające się dachy, które są aktywowane przez pogodę, są również wśród przyszłych zastosowań.

Przyszłość druku 4D

Technologia druku 4D jest wciąż na bardzo wczesnym etapie badań i rozwoju.

Obecnie jedynymi miejscami, w których mogą znaleźć się formy drukowane 4D, są laboratoria i prototypownie, a także niektóre wystawy architektoniczne i instalacje artystyczne.

Przyszłość wygląda obiecująco i, podobnie jak w przypadku druku 3D, lista możliwych zastosowań jest ogromna. Zastosowanie takich inteligentnych materiałów mogłoby zrewolucjonizować świat materiałów, jaki znamy.

References and Further Reading