4D-printen:de toekomst van 3D-printen

Wat als leidingen zichzelf automatisch konden repareren als ze barsten of breken, of kleding kan veranderen afhankelijk van het weer of de activiteit die de gebruiker doet ? Meubels die zichzelf in elkaar zetten, prothesen die zich aanpassen aan de groei... Dit zijn slechts enkele van de mogelijke toepassingen die de 4D-printtechnologie moet realiseren.

Afbeelding 1:4D-geprinte klauw die zijn vorm aanpast. Bron:Sculpteo.

3D-printen bestaat al bijna 30 jaar en terwijl het nog steeds bezig is met onderzoek en nieuwe materialen en toepassingen ontdekt, zijn er nieuwe technologieën zoals 4D ontstaan.

Bij het MIT Self-assembly Lab , hebben ze een project ontwikkeld waar 4D-printen een onderdeel van is. Het doel is om technologie en design te combineren om programmeerbare materialen te bedenken en zelfassemblagetechnologieën met als doel constructie, productie, productassemblage en prestaties opnieuw uit te vinden. Ondertussen een studie van hetWyss Institute (onderdeel van Harvard University)is erin geslaagd een object te printen dat, als het in contact komt met water, van vorm verandert e, resulterend in een soort bloei van de uiteinden. Ze ontwikkelden een materiaal op basis van natuurlijke structuren, zoals planten, die tijdens het drukproces werden geïnjecteerd met cellulosevezels.

Video 1:Vormveranderende architectuur. Bron:Universiteit van Harvard.

Wat is 4D-printen?

Geïnspireerd door het principe van zelfassemblage, 4D-printen is het proces waarbij een 3D-geprint object wordt getransformeerd in een andere structuur door de invloed van externe energietoevoer zoals temperatuur, licht of andere omgevingsstimuli. Dat wil zeggen, het verkrijgen van een object door middel van 3D-technologie dat, dankzij de eigenschappen van het materiaal waarvan het is gemaakt, in staat is om te veranderen wanneer het wordt blootgesteld aan een prikkel uit de omgeving.

Dit is precies het verschil tussen 3D- en 4D-technologie:het vermogen van objecten om in de loop van de tijd te transformeren zonder menselijke tussenkomst.

Gebruikte materialen

De sleutel tot 4D-printen is niet zozeer het proces , gebaseerd op de bekende 3D-printers, maar dan op de materialen. Aangezien dit een vrij nieuwe technologie is, zijn de beschikbare materialen niet zo gevarieerd als die voor standaard 3D-printen. Er zijn echter enkele zeer interessante.

SMP (vormgeheugenpolymeren)

Polymeren die stijf blijven bij kamertemperatuur en bijzondere eigenschappen bieden wanneer ze het glasovergangspunt bereiken. Een voorbeeld is de TPU SMP van Convena:een 4D-filament met een samenstelling op basis van TPU (thermoplastisch polyurethaan) dat nabewerking mogelijk maakt om de vorm van 3D-geprinte onderdelen te wijzigen. Thanks to its special composition and Shape Memory Polymer technology, parts printed with this filament can be modified manually, allowing them to acquire another shape and maintain it over time.

The process of modifying the shape of a 3D printed part with SMP TPU filament consists of placing the 3D printed part in a container of hot water until it reaches its glass transition temperature. At this point, the part softens and the user can easily modify its shape. Once cooled, the part maintains the acquired shape and remains stable. In addition, parts 3D printed with SMP TPU filament can be restored to their original shape by reversing the process. In other words, the material's glass transition temperature is reached again.

LCE (liquid crystal elastomers)

They contain liquid crystals that are sensitive to heat. By controlling their orientation, the desired shape can be programmed: under the effect of temperature, the material will relax and transform according to the dictated code.

Hydrogels

Polymer chains consisting mainly of water , particularly used in light-curing processes. The latter are focused on the medical sector due to their biocompatibility.

In addition, some 4D printing processes can use various materials, mainly composites such as wood or carbon, which are added to SMP or hydrogels. This results in objects with rigid and movable areas.

Toepassingen

Given the many advantages of such intelligent materials, the applications of 4D printing are innumerable.

Construction

The construction of climate-adapted structures such as bridges, shelters or other facilities would be a huge step forward in this field. 4D bricks capable of modifying walls and roofs to suit the environment would allow indoor conditions to be modified and improved.

Video 2:Programmable wood. Source:Self-Assembly Lab, MIT.

Medicine

In this case, 4D printing offers the possibility to create tailor-made, intelligent and evolving devices. For example, by 4D printing an implant, its condition and viability could be more easily monitored once it is integrated into the patient.

This concept is applicable to all regenerative medicine and the fabrication of cellular structures. 4D printing would allow cells to adapt to the human body depending on its temperature, for example. If we talk about medicines, it would be possible, for example, to print a device that would release the required dose depending on the patient's body temperature.

Transport

A few months ago, BMW and MIT presented their inflatable material, which changes shape and size under the effect of air pulses. The applications are very interesting, as in the future we could have tyres that can repair themselves in case of a puncture or adapt to the terrain and weather conditions of the environment.

In the case of the aircraft industry, a 4D printed component could react to atmospheric pressure or temperature changes and thus change its function. Airbus is currently working on such developments, as these components could replace hinges and hydraulic actuators, significantly lightening the devices . In addition, it is also working on the development of heat-reactive materials to cool its aircraft engines.

Raúl Pulido Casillas, a Spanish engineer, has created a 4D-printed smart fabric for NASA. The metallic mesh, made of silver pieces joined together, has thermal regulation programmed into its print. In other words, not only its shape has been printed, but also the function of the materials. As it is able to reflect heat on the outside and retain it on the inside, it could be an ideal element for making astronaut suits or covering spacecraft.

Fashion

In the textile industry, 4D printing is also finding its place. The possibility of printing shoes that adapt to movement, impact, temperature and atmospheric pressure is a possibility. The US military has already made a foray into this field and is testing uniforms that change colour depending on the environment, or that regulate perspiration depending on the soldier's pulse or the ambient temperature.

Although we are still in its infancy, it is certain that 4D technology will revolutionise the manufacture and nature of objects over the next few years, just as 3D printing did in its day.