Vad är 4D-utskrift och hur skiljer den sig från 3D-utskrift?

Image Credit: Made360/.com

Vetenskapsmännen tittar nu på den fjärde dimensionen för att skapa en ny generation tryckta smarta material som kan ändra sin form.

3D-utskrift vs 4D-utskrift

Tredimensionell utskrift, även känd som additiv tillverkning, tar en digital ritning och förvandlar den till ett fysiskt objekt med hjälp av datorstödd design (CAD).

En upprepad 2D-struktur byggs upp, lager för lager, från botten till topp tills en 3D-konstruktion är färdig. Det färdiga objektet kännetecknas av sin styvhet och oförmåga att ändra form, ungefär som en typisk metall- eller plastdel.

Processen för 4D-utskrift är i stort sett densamma – man använder samma 3D-skrivare och datorn kör samma program för att deponera material i på varandra följande lager tills en 3D-struktur har bildats.

Klicka här för att få reda på mer om 3D-utskriftstekniker.

Den 4D-utskrift lägger dock till en ny dimension, där strukturen kan ändra form över tiden. Det kräver att unika material och skräddarsydda konstruktioner byggs in i programmet för att få 3D-utskriften att ändra form när den utlöses av en specifik stimulans, t.ex. värme, vatten eller ljus.

Den här programmerbara ingrediensen – en hydrogel eller en polymer med formminne – kan ändra sin fysiska form eller sina värmemekaniska egenskaper på ett programmerbart sätt baserat på användarinmatning eller autonom avkänning.

Hydrogeler kan absorbera stora mängder vatten och kan programmeras för att krympa eller expandera med förändringar i den yttre miljön. Polymerer med formminne kan återgå till sin ursprungliga form från en deformerad form när ett stimulus appliceras.

Men medan 3D-utskrift innehåller instruktionerna för att skriva ut lager av material successivt, lägger 4D-utskrift till en exakt geometrisk kod till processen baserat på vinklar och dimensioner av den önskade formen. Det ger formen minne och instruktioner om hur den ska röra sig eller anpassa sig under vissa miljöförhållanden.

Forskning om 4D-printade former

Det finns många institutioner och företag som för närvarande forskar om 4D-printade former och deras möjliga tillämpningar.

MIT:s Self-assembly Lab är hemvist för ett projekt som kombinerar teknik och design för att uppfinna teknik för självmontering och programmerbara material för att ompröva konstruktion, tillverkning, produktmontering och prestanda.

En utveckling innebär att en platt utskriven struktur sakta viks ihop till en annan konformation när den placeras i varmt vatten. Detta skulle kunna göra det möjligt att skriva ut mycket större strukturer i mindre skala för att expandera eller veckla ut dem i ett senare skede.

Laboratoriet har forskat om programmerbart trä, som skulle kunna skalas upp för möbler med självmontering. Föreställ dig en 4D-printad platt bräda som rullar ihop sig till en stol genom att tillsätta vatten eller ljus.

Videokredit: Self-Assembly Lab, MIT/Vimeo

Labbets grundare, Skylar Tibbits, anser att tekniken har stor potential inom många områden, bland annat inom modeindustrin. Han kan tänka sig skoskor som ändrar passform på dina fötter beroende på vad du gör och kläder som kan ändra sin sammansättning beroende på vädret.

Det är dock mer troligt att du kommer att stöta på 4D-printing i form av medicinska implantat eller mekaniska system som ändrar konfiguration under olika miljöförhållanden.

Forskare vid University of Wollongong i Australien har utvecklat en 4D-printad vattenventil som stängs när den utsätts för hett vatten, och som öppnar sig igen när temperaturen har svalnat. Den använder ett hydrogelbläck som reagerar snabbt under värme.

4D-utskrift skulle kunna användas inom bioteknik eller medicin. Till exempel skulle 4D-printade stents kunna placeras i blodkärl och expandera när de når rätt område och ge extra stöd. De skulle också kunna användas i läkemedelskapslar som ändrar form för att frigöra läkemedlet när de når sin destination.

Läs mer: Bygga en raket på 60 dagar: Forskare vid George Washington University har utvecklat en typ av 4D-utskrivbart, fotohärdbart flytande harts från en förnybar epoxiderad akrylatförening av sojabönolja. Detta skulle kunna användas som en ställning för tillväxt av stamceller från benmärgen.

Andra medicinska tillämpningar skulle kunna innefatta självkonfigurerande proteiner eller självvikande proteiner – ett annat projekt från MIT:s Self-assembly Lab.

Andra användningsområden är bland annat självreparerande rör som ändrar sin diameter som svar på vattenbehovet och flödeshastigheten, och som läker sprickor eller brott i sig själva. Sådana material skulle vara fördelaktiga i extrema miljöer som rymden, eftersom de omvandlingsbara formerna hos 4D-printade material skulle göra det möjligt att bygga broar och skyddsrum, eller möjligheten att reparera sig själv när de skadas av vädret.

Arkitektur skulle också kunna gynnas, eftersom anpassningsbara fasader eller självöppnande/stängande tak som aktiveras av vädret också hör till de framtida tillämpningarna.

Framtiden för 4D-utskrift

Tekniken för 4D-utskrift befinner sig fortfarande i mycket tidiga stadier av forskning och utveckling.

För närvarande är de enda platser som sannolikt kommer att inrymma 4D-utskrivna former laboratorier och prototypavdelningar samt vissa arkitektoniska utställningar och konstinstallationer.

Framtiden ser lovande ut, och precis som med 3D-utskrift är listan över möjliga tillämpningar enorm. Användningen av sådana smarta material skulle kunna revolutionera materialvärlden som vi känner den.

Referenser och vidare läsning

Disclaimer: De åsikter som uttrycks här är författarens egna åsikter, uttryckta i egenskap av privatperson, och representerar inte nödvändigtvis åsikterna hos AZoM.com Limited T/A AZoNetwork, som är ägare och operatör av denna webbplats. Denna ansvarsfriskrivning utgör en del av villkoren för användning av denna webbplats.

Citat