4D-printen: Additieve manufacturing revolutioneren voor adaptieve oplossingen

Wat als buizen zich automatisch kunnen herstellen als ze scheuren of breken, of kleding kan veranderen volgens het weer of de activiteit die de gebruiker uitvoert? Meubels die zichzelf monteren, prothesen die zich aanpassen aan groei... Dit zijn slechts enkele van de mogelijke toepassingen die 4D-printtechnologie gerealiseerd zou kunnen worden.

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

3D-printen bestaat al bijna 30 jaar en hoewel het nog steeds in het onderzoek is, nieuwe materialen en toepassingen ontdekkend, zijn nieuwe technologieën zoals 4D ontstaat.

Bij de MIT Self-assembly Lab hebben ze een project ontwikkeld waar 4D-printen een deel van uitmaakt. Het doel is om technologie en ontwerp te combineren om programmeerbare materialen en zelfmonterende technologieën te bedenken met als doel bouw, productie, productmontage en prestaties te heruitvinden. Ondertussen heeft een studie van het Wyss Institute (deel van Harvard University) geslaagd in het printen van een object dat, wanneer het in contact komt met water, zijn vorm verandert, resulterend in een soort ontvouwing van de uiteinden. Ze ontwikkelden een materiaal gebaseerd op natuurlijke structuren, zoals planten, dat tijdens het printproces geïnjecteerd werd met cellulosa vezels.

Video 1: Vormveranderende architectuur. Bron: Harvard University.

Wat is 4D-printen?

Geïnspireerd op het beginsel van zelfmontage, is 4D-printen het proces waarbij een 3D-geprint object getransformeerd wordt in een andere structuur door de invloed van externe energie-input zoals temperatuur, licht of andere omgevingsstimuli. Dat wil zeggen, een object verkrijgen via 3D-technologie dat, dankzij de eigenschappen van het materiaal waaruit het gemaakt is, in staat is te veranderen wanneer het aan een omgevingsstimulus wordt blootgesteld.

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

Gebruikte materialen

De sleutel tot 4D-printen ligt niet zoveel in het proces, gebaseerd op de bekende 3D-printers, maar in de materialen. Aangezien dit een nogal nieuwe technologie is, zijn de beschikbare materialen niet zo gevarieerd als die voor standaard 3D-printen. Er zijn echter wel heel interessante.

SMP (vormgeheugen polymeren)

Polymeren die stijf blijven bij kamertemperatuur en speciale eigenschappen vertonen wanneer ze het glasovergangspunt bereiken. Een voorbeeld zou Convena's TPU SMP zijn: een 4D-filament met een samenstelling gebaseerd op TPU (thermoplastisch polyurethaan) dat na-bewerking toestaat om de vorm van 3D-geprinte onderdelen te wijzigen. Dankzij zijn speciale samenstelling en Shape Memory Polymer-technologie, kunnen onderdelen geprint met dit filament handmatig gewijzigd worden, zodat ze een andere vorm aannemen en deze over tijd behouden.

Het proces van het wijzigen van de vorm van een 3D-geprint onderdeel met SMP TPU-filament bestaat eruit het 3D-geprinte onderdeel in een bak met heet water te plaatsen tot het de glasovergangstemperatuur bereikt. Op dat moment verzacht het onderdeel en kan de gebruiker de vorm gemakkelijk wijzigen. Eenmaal afgekoeld, behoudt het onderdeel de verworven vorm en blijft het stabiel. Daarnaast kunnen onderdelen 3D-geprint met SMP TPU-filament hersteld worden naar hun oorspronkelijke vorm door het proces om te keren. Met andere woorden, de glasovergangstemperatuur van het materiaal wordt opnieuw bereikt.

LCE (vloeibare kristal elastomeren)

Ze bevatten vloeibare kristallen die gevoelig zijn voor warmte. Door hun oriëntatie te controleren, kan de gewenste vorm geprogrammeerd worden: onder invloed van temperatuur zal het materiaal ontspannen en transformeren volgens de gedicteerde code.

Hydrogelen

Polymere ketens die hoofdzakelijk uit water bestaan, met name gebruikt in lichtverhardingsprocessen. De laatste zijn gericht op de medische sector vanwege hun biocompatibiliteit.

Daarnaast kunnen sommige 4D-printprocessen verschillende materialen gebruiken, voornameng composieten zoals hout of koolstof, die aan SMP of hydrogelen worden toegevoegd. Dit resulteert in objecten met starre en bewegelijke gebieden.

Toepassingen

Gegeven de vele voordelen van dergelijke intelligente materialen, zijn de toepassingen van 4D-printen ongeteld.

Bouw

De constructie van klimaat-aangepaste structuren zoals bruggen, schuilplaatsen of andere faciliteiten zou een enorme stap voorwaarts zijn in dit veld. 4D-stenen in staat om muren en daken aan te passen aan de omgeving zouden binnenomstandigheden kunnen wijzigen en verbeteren.

Video 2: Programmeerbaar hout. Bron: Self-Assembly Lab, MIT.

Medische toepassingen

In dit geval biedt 4D-printen de mogelijkheid om op maat gemaakte, intelligente en evolutieve apparaten te creëren. Bijvoorbeeld, door een implantaat te 4D-printen, kunnen de toestand en levensvatbaarheid ervan eenvoudiger worden gemonitord zodra het geïntegreerd is in de patiënt.

Dit concept is van toepassing op alle regeneratieve geneeskunde en de fabricage van cellulaire structuren. 4D-printen zou cellen in staat stellen zich aan het menselijk lichaam aan te passen afhankelijk van de temperatuur, bijvoorbeeld. Als we over medicijnen praten, zou het mogelijk zijn, bijvoorbeeld, een apparaat te printen dat de benodigde dosis afgiften afhankelijk van de lichaamstemperatuur van de patiënt.

Transport

Een paar maanden geleden presenteerden BMW en MIT hun opblaasbare materiaal, dat vorm en grootte verandert onder invloed van luchtpulsen. De toepassingen zijn erg interessant, want in de toekomst zouden we banden kunnen hebben die zichzelf herstellen bij een lek of zich aanpassen aan het terrein en de weersomstandigheden van de omgeving.

In het geval van de luchtvaartindustrie, zou een 4D-geprint component kunnen reageren op veranderingen in luchtdruk of temperatuur en zo zijn functie veranderen. Airbus werkt momenteel aan dergelijke ontwikkelingen, omdat deze componenten scharnieren en hydraulische actuatoren kunnen vervangen, wat de toestellen aanzienlijk verlicht. Daarnaast werkt men ook aan de ontwikkeling van warmtereactieve materialen om de vliegtuigmotoren te koelen.

Raúl Pulido Casillas, een Spaans ingenieur, heeft een 4D-geprint slimme stof gemaakt voor NASA. Het metallen mesh, gemaakt van zilveren stukjes aan elkaar gehecht, heeft thermische regeling geprogrammeerd in de print. Met andere woorden, niet alleen de vorm is geprint, maar ook de functie van de materialen. Omdat het in staat is om warmte aan de buitenkant te reflecteren en aan de binnenkant te behouden, zou het een ideaal element kunnen zijn voor het maken van astronautenpakken of het bedekken van ruimtevaartuigen.

Mode

In de textielindustrie vindt 4D-printen ook zijn plaats. De mogelijkheid van het printen van schoenen die zich aanpassen aan beweging, impact, temperatuur en luchtdruk is een mogelijkheid. Het Amerikaanse leger heeft al een duik gemaakt in dit veld en test uniformen die van kleur veranderen afhankelijk van de omgeving, of die transpiratie regelen afhankelijk van de hartslag van de soldaat of de omgevingstemperatuur.

Hoewel we nog in de kinderschoenen zitten, is het zeker dat 4D-technologie de productie en aard van objecten de komende jaren zal revolutioneren, net zoals 3D-printen in zijn tijd deed.