Что такое 4D-печать?

Представьте себе покупку обуви, которая может самостоятельно адаптироваться к вашим ногам, или разработку медицинского устройства, которое может идеально адаптироваться к анатомии пациента при воздействии определенного стимула. Это лишь некоторые из потенциальных применений 4D-печати - захватывающей и растущей области исследований.

Хотя 4D-печать может показаться чем-то вроде научно-фантастического романа, Gartner прогнозирует, что к 2023 году в 4D-печать будет вложено 300 миллионов долларов, хотя коммерческая доступность этой технологии еще далека.

Так что же такое 4D-печать и какую пользу она может принести производителям?

Сегодняшняя статья посвящена принципам работы 4D-печати, а также текущим и будущим применениям этой технологии.

Что такое 4D-печать?

4D-печать дает 3D-печатным объектам возможность изменять свою форму с течением времени. Термин «4D-печать» относится к этому дополнительному четвертому измерению:времени.

Новые технологии сочетают в себе методы 3D-печати с наукой о материалах высокого уровня, инженерными разработками и программным обеспечением.

Материалы играют решающую роль в 4D-печати, поскольку в этой технологии используются материалы, специально разработанные для реакции на определенные стимулы.

Обычные раздражители, которые могут вызвать трансформацию изготовленных объектов, включают изменения температуры, свет, воду, магнитные поля, а также химические и другие факторы окружающей среды.

При срабатывании внешнего источника 4D-печатные объекты могут складываться или разворачиваться в заданные формы, открывая двери для целого ряда интересных приложений, которые мы рассмотрим ниже.

Чем 4D-печать отличается от 3D-печати?

3D-печать - это технология быстрого прототипирования и производства, при которой материал наносится слой за слоем для создания трехмерных объектов.

По сути, в 4D-печати для создания деталей используются те же методы, что и в 3D-печати. Ключевое отличие состоит в том, что объекты, напечатанные на четырехмерной печати, со временем меняют свою форму после печати, тогда как объекты трехмерной печати сохраняют ту же фиксированную форму.

Во время процесса 4D добавляется геометрический код, содержащий «инструкции» о том, как форма будет двигаться или изменяться после запуска стимулом. Этот шаг предварительного программирования позволяет создавать умные, отзывчивые объекты, которые могут адаптироваться к определенным факторам окружающей среды.

Как работает 4D-печать?

Чтобы освоить 4D-печать, сначала необходимо понять, как материал будет реагировать на определенный стимул. Используя эти знания о поведении материалов, инженеры могут спроектировать объект с вариациями в его структуре материала.

На основе цифрового проектирования САПР модель затем печатается на 3D-принтере из цельного или композитного материала.

После завершения процесса печати запрограммированный геометрический код будет определять, как различные области объекта должны реагировать на конкретный стимул.

При таком подходе инженеры могут создавать компоненты, которые принимают заданные формы или складываются и разворачиваются определенным образом при запуске определенного стимула.

Существует несколько технологий 3D-печати, подходящих для обработки программируемых или «умных» материалов:

• Стереолитография (SLA),
• Производство плавленых волокон (FFF),
• Обработка материалов,
• Выборочная лазерная плавка (SLM).

В то время как первые три обычно работают с материалами на основе полимеров, обычными материалами SLM являются металлы.

Примечательно, что недавний прогресс в области 4D-печати во многом можно отнести к достижениям в технологии струйной печати материалов, которая позволяет печатать на нескольких материалах. Эта технология работает путем разбрызгивания капель материала, что позволяет строго контролировать его осаждение.

Какие материалы можно распечатать в 4D?

Как мы видели, технология использует специально разработанные «умные» материалы, которые обладают одним или несколькими свойствами, которые могут быть изменены внешними триггерами.

Хотя ассортимент материалов для 4D-печати все еще довольно ограничен из-за ранней стадии технологии, ниже мы обозначили некоторые из наиболее многообещающих материалов, которые можно использовать в 4D-печати:

Гидрогели

Гидрогели представляют собой гидрофильные сети из полимерных цепей, которые могут удерживать большое количество воды. Гидрогели могут использоваться в технологиях 3D-печати с УФ-отверждением и запрограммированы на изменение формы в ответ на изменения температуры.

Так как гидрогели состоят в основном из воды, они биосовместимы и поэтому особенно хорошо подходят для использования в медицине. Гидрогели также можно использовать в таких приложениях, как мягкая робототехника и гибкая электроника.

В прошлом году инженеры из Университета Рутгерса разработали метод 4D-печати для создания интеллектуального геля, который может помочь в создании живых структур в человеческих органах. и ткани Используемый материал? Гидрогель.

В данном случае гидрогелевый материал меняет форму при изменении температуры. Помимо развития биомедицинских приложений, эта разработка может также открыть новые приложения в мягкой робототехнике, включая гибкие датчики и исполнительные механизмы.

Чтобы узнать больше, посмотрите видео Рутгерса ниже:

Полимеры с памятью формы

Полимеры с памятью формы (SMP) - это интеллектуальные полимерные материалы, которые обладают способностью переходить от фиксированной временной формы к исходной при воздействии внешнего раздражителя.

Благодаря своей способности к активному срабатыванию (способность перемещать и управлять механизмом или системой) SMP нашли различное применение в аэрокосмической отрасли, в мягких роботах, биомедицине и других областях.

Сплавы с памятью формы

Сплавы с памятью формы (SMA) - это интеллектуальные металлические материалы, которые, как и SMP, сохраняют «память» о своей первоначальной форме и могут возвращаться к этой исходной форме после деформации под воздействием раздражителя.

SMA могут найти применение в различных областях, таких как аэрокосмическая промышленность, гражданское строительство и биомедицинские устройства.

Керамика

В прошлом году группа исследователей из Городского университета Гонконга продемонстрировала новые керамические чернила, в которых сочетаются полимеры и керамические наночастицы.

Напечатанные с помощью этих чернил керамические прекурсоры, напечатанные на 3D-принтере, мягкие и их можно растягивать в три раза больше своей первоначальной длины. Некоторые из многообещающих применений этого материала включают электронные устройства, а также приложения в аэрокосмической промышленности.

Захватывающие применения 4D-печати

4D-печать обладает захватывающим потенциалом для современного способа производства продукции. Давайте подробнее рассмотрим возможности, которые открывает 4D-печать.

Аэрокосмическая промышленность

Возможность производить интеллектуальные материалы, реагирующие на внешние факторы, является ключевым преимуществом для аэрокосмической промышленности. Здесь 4D-печать может использоваться для создания самораскрывающихся конструкций для вентиляции, охлаждения двигателя и других подобных целей.

Airbus SAS в партнерстве с лабораторией самосборки Массачусетского технологического института уже работает с 4D-печатью, чтобы разработать решение, которое будет охлаждать его двигатели в зависимости от температуры и других факторов.

В одном примере Airbus и Массачусетский технологический институт работали над разработкой воздухозаборника, который может трансформироваться в ответ на аэродинамические условия для уменьшения сопротивления воздуха.

Созданный воздухозаборник может саморегулироваться, чтобы обеспечить автоматическое управление потоком воздуха, используемым для охлаждения двигателя. Используя углеродное волокно, инженеры запрограммировали материал таким образом, чтобы он мог реагировать на силы давления.

Воздухозаборник был успешно протестирован в аэродинамической трубе и может быть использован в будущем вместо тяжелой механической системы, которая в настоящее время выполняет эту задачу.

Космические миссии также могут извлечь выгоду из 4D печать. Например, исследователи из Технологического института Джорджии использовали полимеры с памятью формы для 3D-печати конструкции из распорок. Эта структура временно складывается, но может раскрываться под воздействием тепла. Исследователи считают, что их изобретение можно использовать для изготовления антенн для космических кораблей и мягких роботов, изменяющих форму.

Защита

Преимущества 3D-печати для оборонной промышленности весьма разнообразны. Теперь отрасль ищет возможности 4D-печати для большего числа приложений.

Одним из наиболее многообещающих применений 4D-печати может быть военная форма, которая может изменить свой камуфляж или лучше защитить от ядовитых газов или осколков при контакте.

Исследователи также изучают, как военные могут использовать самособирающиеся объекты, в том числе возможность сборки укрытий или мостов.

Медицина

Потенциал 4D-печати в медицине огромен. Здесь технология может быть использована в самых разных областях, от тканевой инженерии и интеллектуальных биомедицинских устройств до производства наночастиц и нанороботов для химиотерапии.

Например, исследователи из Массачусетского технологического института разработали чернила для 3D-печати, наполненные магнитными микрочастицами. Структуры, напечатанные на 3D-принтере из этого материала, обладают магнитными свойствами, поэтому ими можно управлять дистанционно.

Эта технология может быть использована для создания устройств, которые можно направлять с помощью магнита через желудочно-кишечный тракт, чтобы делать изображения, извлекать образцы тканей, устранять закупорку или доставлять определенные лекарства в определенную область тела. .

Еще одно возможное применение 4D-печати - тканевая инженерия. В этой области биосовместимые гидрогели могут быть использованы для печати искусственной кожи для трансплантатов и даже имплантатов, способных изменять форму и функционировать без вмешательства извне.

Автомобильная промышленность

Еще в 2016 году BMW продемонстрировала свое футуристическое видение концепт-кара, в котором использовалась 4D-печать. Одним из элементов была технология 4D-печати для производства автомобильных компонентов, которые могут адаптироваться к изменяющимся условиям окружающей среды.

Хотя это была всего лишь концепция, два года спустя автопроизводитель в сотрудничестве с лабораторией самосборки Массачусетского технологического института, объявила о создании надувной 4D-конструкции, которая может самостоятельно регулироваться в зависимости от изменений давления воздуха. Изготовленный из силикона, надувной материал отражает видение BMW об адаптивном дизайне.

Один из способов использования конструкции 4D - это автомобильные сиденья, обеспечивающие адаптивную поддержку и комфорт, или даже ударопрочность в виде подушек безопасности.

Потребительские товары

Производство потребительских товаров - еще одна область, которую можно переосмыслить с помощью 4D-печати. Например, эту технологию можно использовать для изготовления плоских предметов мебели, таких как стулья и столы, которые будут самостоятельно собираться при срабатывании триггера.

После покупки мебель с печатью 4D просто соберется вместе, что избавит от необходимости открывать коробку и вручную собирать все детали. В конечном итоге это может привести к продукции, которая потребует меньше места для хранения и упростит транспортировку.

4D-печать:следующий большой шаг?

4D-печать - увлекательная область, открывающая захватывающие возможности для производства. Возможность создавать объекты с программируемыми функциями может изменить способ производства товаров.

Однако важно отметить, что большинство проектов, обсуждаемых здесь, все еще находятся на стадии исследований и экспериментов, и технологии предстоит пройти долгий путь, прежде чем она станет коммерчески жизнеспособной для бизнеса.

Но по мере того, как исследования продолжаются, влияние 4D-печати может быть огромным, затрагивая приложения во многих отраслях.

На самом деле пройдет несколько лет, а может быть, даже десятилетие или больше, прежде чем мы увидим основные приложения 4D-печати. Тем не менее, технология, похоже, будет следовать эволюции 3D-печати и стать следующей революционной технологией в производстве.