В апреле 2013 года Скайлар Тиббитс, основатель лаборатории самосборки MIT, провел конференцию TEDx, на которой представил новую концепцию процесса 3D-печати. Впервые он представил четвертое измерение этой технологии, которая уже разрушала многие отрасли. Он объяснил, что 4D-печать была как добавление новой функции к материалу, который будет использоваться для 3D-печати, точнее, это способность материала со временем трансформироваться . Фактически, благодаря 4D-печати материал может изменять свою форму сам по себе, без какого-либо вмешательства человека, а просто под влиянием внешних факторов, таких как свет, тепло, вибрация и т. Д.
С тех пор 4D печать привлекла внимание многих отраслей, которые видят большой потенциал для настройки устройств и конструкций. Согласно отчету Gartner за 2019 год , интерес к 4D-печати растет. К 2023 году стартапы, специализирующиеся на этой технологии, должны привлечь венчурный капитал в размере 300 миллионов долларов. Поэтому неизбежно, столкнувшись с этим наблюдением, мы задаемся вопросом, каким будет будущее 4D-печати. Заменит ли это аддитивное производство для некоторых применений? Как это повлияет на отрасль?
Как работает 4D печать?
4D печать основывается на принципе самостоятельной сборки, который не является новой концепцией. Вы, наверное, слышали о молекулярной самосборке, когда молекулы образуют сложные структуры без какого-либо вмешательства человека. Например, концепция, широко используемая в нанотехнологиях. 4D печать выводит этот принцип на новый уровень. Если небольшие микроскопические структуры могут собираться и перемещаться самостоятельно, почему бы не представить их на более крупных объектах 3D-печати?
В то время как 3D-печать производит объекты, которые сохраняют свою фиксированную форму, 4D-печать изменит свою форму, а также их цвет, размер, способ их перемещения и т. Д. В ней используются материалы, известные как «интеллектуальные» материалы в промышленности, которые были запрограммированы на изменение. Форма под воздействием внешнего фактора, чаще всего температуры, так же, как когда компьютер подчиняется коду. Таким образом, этот «код» добавляется к материалу и предоставляет инструкции для 3D-печатной части. Бастиен Э. Рапп, президент лаборатории технологических процессов NeptunLab, объясняет: « 4D-печать — это функциональная форма 3D-печати. Вместо печати только физических структур мы можем теперь печатать функции. Это похоже на врезку фрагмента кода в материал — после запуска он выполняет то, что вы запрограммировали ».
4D полиграфические материалы и технологии
Материалы для печати 4D не так разнообразны, как материалы для аддитивного производства, потому что технология все еще находится в зачаточном состоянии, но важно отметить, что существуют разные. Давайте начнем с полимеров с памятью формы (SMP), которые представляют собой материалы, которые способны сохранять макроскопическую форму, сохранять ее в течение определенного времени и возвращаться к своей первоначальной форме под воздействием тепла без какой-либо остаточной деформации. Другие косвенные стимулы могут также вызвать преобразование: магнитное поле, электрическое поле или погружение в воду.
Другой печатный материал 4D — это жидкокристаллические эластомеры (LCE), которые, как следует из их названия, содержат термочувствительные жидкие кристаллы. Управляя их ориентацией, можно запрограммировать желаемую форму. Под воздействием температуры материал будет расширяться и трансформироваться в соответствии с предписанным кодом. Третьим материалом являются гидрогели , это полимерные цепи, состоящие в основном из воды, особенно используемые в процессах фотополимеризации . Они представляют большой интерес для медицинского сектора из-за их биосовместимости.
В некоторых процессах 4D печати используются разные материалы . В основном это композиты, которые добавляются в SMP или гидрогели, такие как углеродные или древесные волокна. Лаборатория MIT Self-Assembly Lab начала свои исследования в области 4D-печати на машине Stratasys Connex, основанной на принципе струйной обработки материалов — многокомпонентного процесса. Конечно, есть и другие материалы для 4D-печати, например, керамика, но мы решили сосредоточиться на основных.
Наконец, весь материал 4D печати находится в материале. Поэтому необходимо понимать, как он будет реагировать на определенные раздражители. Бастьен Э. Рапп объясняет, что « для облегчения 4D-печати требуется очень хорошее знание материалов ». После того, как это будет хорошо интегрировано, мы сможем использовать различные технологии 3D-печати: стереолитография , струйная обработка материалов (для всех мультиматериалов), изготовление плавких нитей (работа с полимерами). Чаще всего используемый 3D-принтер представляет собой улучшенную машину, способную учитывать 4-е измерение. Бастиен Э. Рапп продолжает: «В зависимости от сложности вашего 4-го измерения, это может быть так же просто, как печатать два материала параллельно. Это может также включать нагревание или охлаждение материала в процессе производства. Существует много методов, каждый из которых требует определенных условий ».
4D печать приложений
Поскольку можно программировать интеллектуальный материал по желанию, может показаться, что приложения для 4D-печати довольно обширны. Представьте себе объект, который может принимать любую форму: технология может затем влиять на строительный сектор для создания конструкций, которые могут быть адаптированы к климатическим условиям, товары народного потребления могут приспосабливаться к потребностям людей или даже в медицинском секторе и т. Д. Одна из первых идей Скайлара Тиббитса должен был использовать 4D печать для создания интеллектуальных труб. Эти трубы смогут менять форму в зависимости от объема воды, которую они содержат, а также когда любое явление происходит под землей. Это позволит избежать их выкапывания и замены — это трудоемкий и очень дорогостоящий процесс.
Одним из секторов, наиболее заинтересованных в 4D-печати, несомненно, является медицинский сектор. 4D печать может позволить создавать индивидуальные, интеллектуальные и масштабируемые устройства. Например, с помощью 4D-печати на имплантате было бы легче контролировать его состояние и жизнеспособность после интеграции с пациентом. То же самое относится ко всей регенеративной медицине и производству клеточных структур. Например, 4D-печать позволяет клеткам адаптироваться к человеческому телу в зависимости от его температуры. Хлоя Девиллард, которая в настоящее время готовит свою диссертацию в 3d.FAB, объяснила нам: «WРабота с 4D-печатью для применения в тканевой инженерии и регенеративной медицине для восстановления живых организмов. В частности, я использую его для воспроизведения кровеносных сосудов, максимально приближенных к реальности с точки зрения физиологии, функций и механики. Мы можем создавать конструкции, максимально похожие на живые существа ».
Наконец, представьте, что напечатано лекарство, напечатанное на 4D, которое может выделять свое вещество в зависимости от температуры тела пациента. Это один из исследовательских проектов доктора Фанга в MIT, объясняет он: « Мы хотим использовать температуру тела в качестве триггера. Если мы сможем правильно сконструировать полимеры, мы сможем создать устройство для доставки лекарств, которое будет высвобождать лекарство только при развитии лихорадки ».
Транспортный сектор в широком смысле этого слова также заинтересован в 4D-печати, будь то в автомобильной или аэрокосмической промышленности. В 2018 году мы рассказали вам о надувном материале, который был разработан BMW и MIT , его форма и размер подделывают под воздействием воздушных импульсов. Интересный материал для проектирования будущих шин, например, способный к самовосстановлению в случае прокола или адаптации к самым экстремальным погодным условиям. Помимо автомобилей, мы также можем говорить о самолетах. Печатный компонент 4D может реагировать на атмосферное давление или изменение температуры, и, следовательно, изменять функцию — Airbus в настоящее время работает над этой проблемой. Аэрокосмический гигант объясняет, что эти компоненты могут заменить шарниры, гидроприводы и, таким образом, значительно снизить вес этих устройств.
Наконец, 4D-печать более чем интересна для всех применений, требующих высокой степени настройки, так как можно программировать материал в соответствии с нашими потребностями. На этом этапе концепция может показаться странной, но вы можете представить себе одежду, которая принимает реальную форму нашего тела, мебель, которая складывается и раскладывается для экономии места и т. Д.
Будущее 4D-печати
Несмотря на то, что эта технология полна многообещающих решений, она все еще имеет много ограничений: каково реальное сопротивление интеллектуальных материалов с течением времени? Смогут ли они по-прежнему выполнять свои обязанности в долгосрочной перспективе? Многие компании все еще тестируют этот производственный процесс, и лишь немногие сообщили о своих результатах. Бастиен Э. Рапп сказал нам, что 4D-печать требует определенных технических знаний, что затрудняет ее демократизацию в такой же степени, как и аддитивное производство. « Поскольку это довольно сложный предмет, требующий очень хорошего материала и контроля производства, он может стать не таким доступным и доступным, как сама 3D-печать. Но это, тем не менее, окажет значительное влияние на отрасль ».
Следовательно, было бы возможно регулировать дозу каждого лекарственного средства в соответствии с пациентом, причем намного проще и быстрее. Особенно интересен прогресс в педиатрии, согласно Альваро, где возраст и вес ребенка оказывают большое влияние на способ введения препарата. Врач добавляет: « можно было бы объединить в одной таблетке два или более препарата, уменьшая количество таблеток, которые человек должен проглотить, что особенно важно для пожилых людей ».
Что касается используемой технологии печати, кажется, что FabRx использует процесс, аналогичный спеканию порошка, порошка, в котором будет содержаться лекарственное средство. Альваро заявляет: « В зависимости от материалов, которые мы выбираем, мы можем добиться очень быстрого высвобождения или целевого высвобождения лекарственного средства в определенные области желудочно-кишечного тракта .
Что вы думаете о 4D печати? Как это повлияет на наши текущие производственные процессы? Оставьте комментарий ниже.
