Co to jest druk 4D?
Druk 3D, znany również jako „produkcja addytywna”, zamienia cyfrowe plany w obiekty fizyczne, budując je warstwa po warstwie. Druk 4D oparty jest na tej technologii. Z jedną wielką różnicą: wykorzystuje specjalne materiały i specjalistyczne projekty, które są „zaprogramowane”, aby skłonić Twój wydruk 3D do zmiany kształtu. Tak więc w zasadzie druk 4D to renowacja druku 3D, w której specjalne materiały do drukowania obiektów zmieniają kształt w postprodukcji. Dzieje się tak pod wpływem np. wody, ciepła, wiatru i innych form energii.
Kto wynalazł druk 4D?
Tak naprawdę nie da się przypisać druku 4D do jednego wynalazcy. Druk 4D jest obecnie rozwijany przez wielu liderów branży i placówki badawcze. Od 2017 r. najważniejszymi firmami/laboratoriami badawczymi zajmującymi się drukowaniem 4D są: Self-Assembly Lab firmy MIT, producent drukarek 3D Stratasys oraz firma zajmująca się tworzeniem oprogramowania: Autodesk.
Jednak, jak widać poniżej, badacze australijscy i singapurscy szybko nabierają rozpędu. Ich wkład poszerza zakres materiałów nadających się do druku 4D i pomaga przybliżyć tę technologię do wprowadzenia na rynek.
Gdzie można kupić drukarkę 4D?
Technologia jest wciąż w fazie badań i rozwoju. W niektórych laboratoriach lub zakładach prototypowania druk 4D jest już używany. Możesz również zobaczyć tę technologię w ramach instalacji artystycznych i wystaw architektonicznych.
Ale jako konsument nie możesz po prostu wejść do sklepu i kupić „drukarki 4D” lub uzyskać licencji na „drukowanie 4D”. Bardziej prawdopodobne jest, że pewnego dnia efekty pracy drukarki 4D spotkasz w swoim codziennym życiu, nawet nie zdając sobie z tego sprawy. Czy to w postaci implantów medycznych, czy systemów mechanicznych, które zmieniają swoją konfigurację wraz ze zmianą warunków środowiskowych.
Jak działa drukowanie 4D?
Wyobraź sobie pudełko wydrukowane za pomocą drukarki 3D. Samo to w sobie jest fajne, ale wyobraź sobie, że to pudełko mogłoby automatycznie spłaszczyć się do pakowania, po tym jak wpłyną na niego jakieś bodźce. To brzmi prawie głupio, gdy weźmiemy pod uwagę wpływ przejścia pudełka z 3D do 2D (poprzez samo spłaszczenie), ale wpływ, jaki takie proste rzeczy mogą mieć w świecie biznesu, jest ogromny.
Załóżmy na przykład, że firma przewozowa (dla zabawy nazwiemy ją Tucker Trucking) ma magazyn, w którym przechowuje wszystkie swoje pudełka wysyłkowe. Za każdym razem, gdy ta firma przewozowa otrzymuje przesyłkę towarów, usuwa towary z pudeł w celu dostarczenia do ich poszczególnych miejsc, a następnie spłaszcza pudła, aby wysłać je z powrotem do punktu wyjścia, aby można je było ponownie wykorzystać do innych przesyłek . Teraz wyobraź sobie, że ta sama firma przerzuca 5000 ciężarówek dziennie. Muszą więc zatrudnić 200 osób, aby stale rozkładali pudła przed wysyłką. Przy 10 USD za godzinę, zakładając 7-godzinny dzień pracy, Tucker Trucking płaci 14 000 USD dziennie tym podstawowym pracownikom.
Tak więc, mając pudełka, które spłaszczają się pod wpływem bodźca, taka firma może zaoszczędzić około 5 milionów dolarów każdego roku! A to tylko jeden przykład na to, jak przydatne może być drukowanie 4D!
W druku 4D potrzebne są mechanizmy wyzwalające
W druku 4D potrzebujesz bodźców lub wyzwalacza, aby rozpocząć transformację. Mogą to być woda, ciepło, światło lub prądy elektryczne. Istnieją inne formy wyzwalaczy, z których niektóre należy dogłębnie zbadać. W przypadku niektórych procesów drukowania 4D potrzebne są specjalne materiały, które są w stanie zareagować na te wyzwalacze. Odpowiedni dobór materiałów sprawia, że obiekty są „programowalne” i wykonują wydrukowany w 3D „kod genetyczny”, kiedy tylko zechcesz.
Inne laboratoria badawcze skupiają się na „zaprogramowaniu” pożądanego kształtu obiektu w mikrostrukturę standardowych materiałów. Takie podejście wykorzystuje możliwości odkryte w strukturach mikroskopowych. Gdy są one prawidłowo skonfigurowane, wykazują zaplanowaną deformację makrostruktury. Zaletą jest to, że drukowane obiekty 4D mogą wykorzystywać istniejące drukarki 3D i materiały 3D.
Drukarnie 4D
SELF-ASSEMBLY LAB
W MIT Self-Assembly Lab, adiunkt Skylar Tibbits pracuje nad przeniesieniem druku 4D na wyższy poziom. Jak stwierdza w swoich wystąpieniach TED, Tibbits zawsze fascynowały możliwości druku 3D. Chciał jednak wiedzieć, w jaki sposób można sprawić, by przedmiot zmieniał kształt (czyli na co pozwala druk 4D) z dokładnością i precyzją.
W 2014 r. MIT zatwierdził dotację dla Tibbits na otwarcie Self-Assembly Printing Lab. Od tego czasu Tibbits współpracuje z Autodesk nad stworzeniem systemu komputerowego, który umożliwia wprowadzanie danych geometrycznych w celu pomiaru, w jaki sposób drukowane obiekty 3D będą w stanie zmienić się po wydruku. Publikuje również kwartalnik 3D Printing and Additive Manufacturing Journal i oferuje naukowe spostrzeżenia na wiele tematów związanych z drukowaniem 3D.
Tibbits widzi wszelkiego rodzaju przyszłe zastosowania w druku 4D. Obejmują one trampki, które zmieniają sposób, w jaki dopasowują się do twoich stóp, w zależności od tego, jakie czynności wykonujesz lub jak ubrania zmieniają skład w zależności od pogody.
W kontekście MIT’s Self-Assembly Lab, ta technologia jest tylko jedną z kilku dróg, którymi podąża Tibbits i jego współpracownicy. Wśród innych badanych technologii znajdują się struktury molekularne, które organizują się w złożone struktury, gdy są poruszone oraz inne koncepcje druku 3D.
WYSS INSTITUTE FOR BIOLOGICAL INSPIRED ENGINEERING
W Harvard’s Wyss Institute for Biological Inspired Engineering zespół naukowców bada sposób, w jaki specjalny atrament, znany jako hydrożel, zmienia kształt i formę pod wpływem stymulacji wodą. Dr Jennifer Lewis, dr L. Mahadevan i dr Ralph Nuzzo tworzą ten zespół wyjątkowych naukowców.
Atrament hydrożelowy działa poprzez umożliwienie drukowanym obiektom zmiany kształtu w celu utworzenia nowych struktur, które są podobne do tych występujących w kwiatach. Mikrostruktury tkankowe i składy różnych roślin zmieniają się w zależności od sytuacji ich środowiska.
Wyss odtworzył ten proces, opracowując hydrożel drukowany w 4D. Jego kompozyty są zaprogramowane tak, aby precyzyjnie pęcznieć, umożliwiając drukowanym w 3D kwiatom zmianę kształtu pod wpływem wody i innych zmian środowiskowych. Te kompozyty zawierające specyficzne fibryle celulozy pochodzące z drewna – które przypominają te same mikrostruktury, które umożliwiają roślinom zmianę kształtu – są w stanie naśladować zmiany, jakim ulegają narządy roślin w odpowiedzi na wilgoć, temperaturę i inne bodźce środowiskowe.
Jest to ogromny postęp, ponieważ pozwala na wykorzystanie materiałów o różnym składzie w procesie drukowania w celu osiągnięcia konkretnych, wymiernych, dokładnych wyników geometrycznych w różnych branżach, które mogą wykorzystywać tę technologię w przyszłości (pomyśl o budownictwie).
UNIWERSYTET WOLLONGONG
Na Uniwersytecie Wollongong w Australii, profesor Marc in het Panhuis wraz z zespołem naukowców stworzyli pierwszy zawór wodny wydrukowany w 4D. Zamyka on się po wystawieniu na działanie gorącej wody i ponownie otwiera, gdy temperatura opada dzięki zastosowaniu atramentu hydrożelowego, który szybko reaguje na ciepło.
Zespół zademonstrował działanie tego zaworu wodnego, wlewając przez niego gorącą wodę. Pokazali, jak natychmiast się zamykał, a następnie otwierał ponownie, gdy przepompowywano przez niego chłodniejszą wodę.
Chociaż ten rodzaj procesu ma ,,młody charakter”, zespół ma nadzieję, że w niedalekiej przyszłości będzie można go zastosować w wielu użytecznych praktykach w dziedzinie biotechnologii i medycyny.
UNIWERSYTET TECHNOLOGII I PROJEKTOWANIA W SINGAPURZE
Ponieważ druk 4D jest wciąż rozwijającą się technologią, przedstawione podejścia mają pewne wady, które do tej pory uniemożliwiały jego komercjalizację. Na przykład, wytwarzanie materiałów stałych jest pracochłonne i wymaga pięciu odrębnych etapów przygotowania ich do użycia.
Do akcji wkroczył zespół Zhen Dinga z Singapurskiego Uniwersytetu Technologii i Projektowania. Opracowali oni nowy proces, który łączy te pięć kroków w jeden. W tym celu naukowcy wykorzystali dostępną na rynku wielomateriałową drukarkę 3D.
Grupa badawcza Zhen Ding zademonstrowała nowy proces za pomocą szeregu obiektów testowych, takich jak płaska gwiazda, która zakrzywia się w kształt kopuły lub kwiat, którego płatki zamykają się natychmiast po dotknięciu ciepłej wody. Dzięki tym ekscytującym nowym odkryciom fala powoli, ale pewnie zwraca się w kierunku opłacalnych zastosowań druku 4D.
Artykuł opisujący metody i wyniki tego podejścia jest dostępny do bezpłatnego pobrania w Science Advances.
Druk 4D: co dalej?
Jak wspomniano powyżej, druk 4D znajduje się w młodzieńczej fazie stania się nauką. Istnieje jednak kilka skoncentrowanych grup naukowców na całym świecie, którzy wierzą, że praktyczność drukowania 4D może stać się rzeczywistością i jedną z szybko rozwijających się technologii w bliskiej lub średnioterminowej przyszłości. Istnieje wiele przykładów, które naprawdę pokazują, jak daleko zaszła ta technologia. Pomyśl o uproszczonych składanych obiektach do programowalnych materiałów zmiennokształtnych i kompozytów hydrożelowych. Lata badań i testów doprowadzą w końcu do niesamowitych wynalazków, takich jak adaptacyjne implanty medyczne, samoskładające się budynki, a nawet drukowane w 4D miękkie roboty.
Niezliczone zastosowania, które mogą pochodzić z technologii druku 4D, są bardzo kuszące. Dlatego pamiętaj, aby w nadchodzących latach mieć oko na tę nową i wciągającą branżę, ponieważ nowe rozwiązania ułatwiają poprawę naszego życia w tym cudownym świecie jutra.
Licencja: Tekst „ Co to jest druk 4D? – Wszystko, co musisz wiedzieć ” autorstwa All3DP jest objęty licencją Creative Commons Uznanie autorstwa 4.0.
Źródło: All3DP
