Wat is 4D-printen eigenlijk?

Stel je voor dat je schoenen koopt die zichzelf kunnen aanpassen aan je voeten of dat je een medisch hulpmiddel ontwikkelt dat zich perfect kan aanpassen aan de anatomie van een patiënt wanneer deze wordt geactiveerd door een specifieke stimulus. Dit zijn slechts enkele van de mogelijke toepassingen van 4D-printen - een opwindend, groeiend onderzoeksgebied.

Hoewel 4D-printen misschien iets uit een sciencefictionroman lijkt, voorspelt Gartner dat er tegen 2023 $ 300 miljoen zal worden geïnvesteerd in 4D-printen, hoewel de technologie nog ver verwijderd is van commerciële beschikbaarheid.

Dus wat is 4D-printen precies en hoe kunnen fabrikanten hiervan profiteren?

Het artikel van vandaag gaat in op hoe 4D-printen werkt, evenals op de huidige en toekomstige toepassingen van de technologie.

Wat is 4D-printen?

4D-printen geeft 3D-geprinte objecten de mogelijkheid om in de loop van de tijd van vorm te veranderen. De term “4D-printen” verwijst naar deze extra vierde dimensie:tijd.

De opkomende technologie combineert 3D-printtechnieken met materiaalwetenschap, engineering en software op hoog niveau.

Materialen spelen een cruciale rol bij 4D-printen, omdat de technologie materialen gebruikt die speciaal zijn ontworpen om op een specifieke stimulus te reageren.

Veelvoorkomende stimuli die ervoor kunnen zorgen dat gefabriceerde objecten transformeren, zijn temperatuurveranderingen, licht, water, magnetische velden, evenals chemische en andere omgevingsfactoren.

Wanneer ze worden geactiveerd door een externe bron, kunnen 4D-geprinte objecten zichzelf in vooraf bepaalde vormen vouwen of ontvouwen, wat de deur opent naar een reeks spannende toepassingen die we hieronder zullen onderzoeken.

Hoe verschilt 4D-printen van 3D-printen?

3D-printen is een snelle prototyping- en productietechnologie waarbij materiaal laag voor laag wordt afgezet om driedimensionale objecten te creëren.

In principe gebruikt 4D-printen dezelfde technieken als 3D-printen om onderdelen te maken. Het belangrijkste verschil is dat 4D-geprinte objecten hun vorm in de loop van de tijd veranderen nadat ze zijn geprint, terwijl 3D-geprinte objecten dezelfde, vaste vorm behouden.

Tijdens het 4D-proces wordt een geometrische code toegevoegd die "instructies" bevat over hoe een vorm zal bewegen of veranderen zodra deze door een stimulus wordt geactiveerd. Deze voorprogrammering maakt het mogelijk om slimme, responsieve objecten te maken die zich kunnen aanpassen aan specifieke omgevingsfactoren.

Hoe werkt 4D-printen?

Om 4D-printen onder de knie te krijgen, moet je eerst begrijpen hoe een materiaal zal reageren op een bepaalde stimulus. Met behulp van deze kennis van materiaalgedrag kunnen ingenieurs een object ontwerpen met variaties in de materiaalstructuur.

Op basis van digitaal CAD-ontwerp wordt een model vervolgens 3D-geprint, hetzij in een enkelvoudig of in een composietmateriaal.

Zodra het afdrukproces is voltooid, bepaalt een voorgeprogrammeerde geometrische code hoe verschillende delen van het object moeten reageren op een specifieke stimulus.

Met deze aanpak kunnen ingenieurs componenten maken die vooraf bepaalde vormen aannemen of op bepaalde manieren vouwen en ontvouwen wanneer ze worden geactiveerd door een specifieke stimulus.

Er zijn verschillende 3D-printtechnologieën die geschikt zijn voor het verwerken van programmeerbare of ‘slimme’ materialen:

• Stereolithografie (SLA),
• Fused Filament Fabrication (FFF),
• Materiaalspuiten,
• Selectief lasersmelten (SLM).

Terwijl de eerste drie doorgaans werken met op polymeer gebaseerde materialen, zijn de gebruikelijke SLM-materialen metalen.

Met name de recente vooruitgang in 4D-printen kan grotendeels worden toegeschreven aan de vooruitgang in Material Jetting-technologie, die printen van meerdere materialen mogelijk maakt. Deze technologie werkt door druppeltjes materiaal te spuiten, waardoor de afzetting nauwkeurig kan worden gecontroleerd.

Welke materialen kunnen in 4D worden geprint?

Zoals we hebben gezien, maakt de technologie gebruik van speciaal ontworpen 'slimme' materialen die een of meer eigenschappen hebben die kunnen worden gewijzigd door externe triggers.

Hoewel de portfolio van 4D-printmaterialen nog vrij beperkt is vanwege het vroege stadium van de technologie, hebben we hieronder enkele van de meest veelbelovende materialen geschetst die kunnen worden gebruikt in 4D-printen:
>

Hydrogels

Hydrogels zijn hydrofiele netwerken van polymeerketens die een grote hoeveelheid water kunnen vasthouden. Hydrogels kunnen worden gebruikt in UV-uithardende 3D-printtechnologieën en worden geprogrammeerd om van vorm te veranderen als reactie op temperatuurveranderingen.

Omdat hun samenstelling voornamelijk uit water bestaat, zijn hydrogels biocompatibel en daarom bijzonder geschikt voor medische toepassingen. Hydrogels kunnen ook worden gebruikt in toepassingen zoals zachte robotica en flexibele elektronica.

Vorig jaar ontwikkelden ingenieurs van Rutgers University een 4D-printmethode om een ​​slimme gel te maken die zou kunnen helpen bij het creëren van levende structuren in menselijke organen en tissues Het gebruikte materiaal? Hydrogel.

In deze toepassing verandert het hydrogelmateriaal van vorm wanneer het wordt blootgesteld aan temperatuurveranderingen. Naast het bevorderen van biomedische toepassingen, zou deze ontwikkeling ook nieuwe toepassingen in zachte robotica mogelijk kunnen maken, waaronder flexibele sensoren en actuatoren.

Bekijk de video van Rutgers hieronder voor meer informatie:

Vormgeheugenpolymeren

Vormgeheugenpolymeren (SMP's) zijn polymere slimme materialen die het vermogen hebben om van een vaste tijdelijke vorm naar hun oorspronkelijke vorm te verschuiven wanneer ze worden blootgesteld aan een externe stimulus.

Vanwege hun actieve activeringsvermogen (het vermogen om een ​​mechanisme of systeem te verplaatsen en te besturen), hebben KMO's verschillende toepassingen gevonden in de ruimtevaart, zachte robots, biomedische toepassingen en andere gebieden.

Vorm-geheugen legeringen

Vormgeheugenlegeringen (SMA's) zijn slimme metalen materialen die, net als SMP's, een "geheugen" van hun oorspronkelijke vorm behouden en na vervorming onder een stimulus kunnen terugkeren naar deze oorspronkelijke vorm.

SMA's kunnen worden gebruikt op verschillende gebieden, zoals ruimtevaart, civiele techniek en biomedische apparaten.

Keramiek

Vorig jaar demonstreerde een onderzoeksteam van de City University of Hong Kong een nieuwe keramische inkt, die polymeren en keramische nanodeeltjes combineert.

De 3D-geprinte keramische voorlopers die met deze inkt zijn bedrukt, zijn zacht en kunnen drie keer langer worden uitgerekt dan hun oorspronkelijke lengte. Enkele van de veelbelovende toepassingen van dit materiaal zijn elektronische apparaten en toepassingen in de lucht- en ruimtevaartindustrie.

Spannende toepassingen van 4D-printen

4D-printen biedt een opwindend potentieel voor de manier waarop producten tegenwoordig worden vervaardigd. Laten we eens in meer detail kijken naar de mogelijkheden die 4D-printen biedt.

Lucht- en ruimtevaart

Het vermogen om intelligente materialen te produceren die reageren op externe factoren is een belangrijk voordeel voor de lucht- en ruimtevaartindustrie. Hier kan 4D-printen worden gebruikt om zelfontplooiende constructies te maken voor luchtventilatie, motorkoeling en andere soortgelijke toepassingen.

Airbus SAS werkt, in samenwerking met MIT's Self-Assembly Lab, al met 4D-printen om een ​​oplossing te ontwikkelen die de motoren zal koelen afhankelijk van de temperatuur en andere factoren.

In een voorbeeld werkten Airbus en MIT aan de ontwikkeling van een luchtinlaatcomponent die kan transformeren in reactie op aerodynamische omstandigheden om de luchtweerstand te verminderen.

De gecreëerde luchtinlaat kan zichzelf aanpassen om de automatische regeling van de luchtstroom die wordt gebruikt om de motor te koelen mogelijk te maken. Met behulp van koolstofvezel hebben ingenieurs het materiaal zo geprogrammeerd dat het kan reageren op drukkrachten.

De inlaat is met succes getest in een windtunnel en zou in de toekomst kunnen worden gebruikt in plaats van het zware mechanische systeem dat deze taak momenteel uitvoert.

Ook ruimtemissies kunnen profiteren van 4D printen. Onderzoekers van het Georgia Institute of Technology gebruikten bijvoorbeeld vormgeheugenpolymeren om de structuur van stutten in 3D te printen. Deze structuur is tijdelijk plat gevouwen, maar kan ontvouwen bij blootstelling aan hitte. Onderzoekers geloven dat hun uitvinding kan worden gebruikt om antennes te maken voor ruimtevaartuigen en vormveranderende zachte robots.

Verdediging

De voordelen van 3D-printen voor de defensie-industrie zijn breed. Nu kijkt de industrie naar 4D-printen voor meer toepassingen.

Een van de meest veelbelovende toepassingen van 4D-printen kan betrekking hebben op militaire uniformen die hun camouflage kunnen veranderen of beter kunnen beschermen tegen giftige gassen of granaatscherven bij contact.

Onderzoekers onderzoeken ook manieren waarop het leger zelf-assemblerende objecten zou kunnen gebruiken, inclusief de mogelijkheid van schuilplaatsen of bruggen die zichzelf in elkaar zetten.

Medisch

Het potentieel van 4D-printen op medisch gebied is enorm. Hier zou de technologie kunnen worden gebruikt in toepassingen variërend van weefseltechnologie en slimme biomedische apparaten tot de fabricage van nanodeeltjes en nanorobots voor chemotherapie.

Zo hebben onderzoekers van het MIT een 3D-printbare inkt ontwikkeld die doordrenkt is met magnetische microdeeltjes. Structuren die met dit materiaal in 3D zijn geprint, zijn magnetisch en kunnen daarom op afstand worden bestuurd.

Deze technologie kan worden gebruikt om apparaten te maken die door een magneet door het maagdarmkanaal kunnen worden geleid om beelden te maken, weefselmonsters te nemen, een blokkade op te heffen of bepaalde medicijnen aan een specifiek deel van het lichaam af te leveren .

Een andere mogelijke toepassing van 4D-printen ligt in tissue engineering. Op dit gebied zouden biocompatibele hydrogels kunnen worden gebruikt om een ​​kunstmatige huid te printen voor transplantaten en zelfs implantaten die van vorm kunnen veranderen en functioneren zonder tussenkomst van buitenaf.

Automobiel

In 2016 presenteerde BMW zijn futuristische visie op een conceptauto, inclusief 4D-printen. Een van de elementen was het gebruik van 4D-printen om auto-onderdelen te produceren die zich kunnen aanpassen aan veranderende omgevingsomstandigheden.

Hoewel dit slechts een concept was, besloot de automaker twee jaar later, in samenwerking met MIT's Self-assembly lab, kondigde de oprichting aan van een opblaasbare 4D-structuur die zichzelf kan aanpassen op basis van veranderingen in de luchtdruk. Het opblaasbare materiaal, gemaakt van siliconen, weerspiegelt BMW's visie op adaptief design.

Eén manier waarop de 4D-structuur kan worden gebruikt, is voor autostoelen, die adaptieve ondersteuning en comfort bieden, of zelfs voor impactprestaties in de vorm van airbags.

Consumentengoederen

De productie van consumentenproducten is nog een ander gebied dat door 4D-printen opnieuw zou kunnen worden uitgevonden. De technologie kan bijvoorbeeld worden gebruikt om flatpack-meubelstukken te maken, zoals stoelen en tafels, die zichzelf in elkaar zetten wanneer ze worden geactiveerd.

Eenmaal gekocht, zouden 4D-geprinte meubels zichzelf eenvoudig in elkaar trekken, waardoor het niet nodig is een doos te openen en alle onderdelen handmatig in elkaar te zetten. Uiteindelijk kan dit leiden tot producten die minder opslagruimte nodig hebben en gemakkelijker te vervoeren zijn.

4D-printen:the next big thing?

4D-printen is een fascinerend gebied dat spannende productiemogelijkheden biedt. De mogelijkheid om objecten te maken met programmeerbare functionaliteit zou de manier waarop goederen worden geproduceerd kunnen veranderen.

Het is echter belangrijk op te merken dat de meeste van de hier besproken projecten zich nog in de onderzoeks- en experimenteerfase bevinden - en de technologie heeft nog een lange weg te gaan voordat deze commercieel levensvatbaar wordt voor bedrijven.

Maar naarmate het onderzoek vordert, kan de impact van 4D-printen enorme, ontroerende toepassingen zijn in een groot aantal sectoren.

Realistisch gezien zal het enkele jaren duren, of misschien zelfs een decennium of langer voordat we mainstream toepassingen van 4D-printen zullen zien. Dat gezegd hebbende, lijkt het erop dat de technologie de evolutie van 3D-printen zal volgen om de volgende disruptieve technologie in de productie te worden.