Sample Business Objective #1
Indledning
4D Printing – Definition
Indførelsen af den fjerde dimension i 3D-printteknologien betegnes som “4D Printing”. Med denne nye dimension har 3D-printede genstande evnen til selv at ændre form under påvirkning af eksterne stimuli som f.eks. lys, varme, elektricitet, magnetfelt osv. Ved at integrere tidsdimensionen ændrer de trykte genstande deres form dynamisk på grundlag af situationens behov og krav uden elektromekaniske dele eller bevægelige dele. Dette formændrende fænomen i 3D-printede genstande er baseret på materialets evne til at forandre sig over tid som reaktion på specifikke stimuli, og det kræver ikke menneskelig indgriben til at hjælpe processen.
Emergence of 4D Printing from 3D Printing
3D-print, en additiv fremstillingsteknik, anses for at være en af de mest forstyrrende innovationer inden for moderne fremstilling. Den har fuldstændig forandret den måde, hvorpå dele/komponenter og udstyr fremstilles i industrien, samt deres design og udvikling. 3D-printning gør det muligt for producenter og forskere at udvikle komplekse former og strukturer, som tidligere blev anset for umulige med traditionelle fremstillingsmetoder. 3D-printteknologien har været vidne til løbende fremskridt i løbet af de sidste tre årtier og har udviklet sig drastisk. På trods af dens evne til at skabe komplekse, bioinspirerede, multimaterialedesigns er 3D-printing endnu ikke klar til at blive anvendt til fremstilling i stor skala.
Det stigende behov for fleksible objekter i forskellige applikationer, såsom selvfoldende emballage, adaptive vindmøller osv. har givet næring til fremkomsten af 4D-printing. Forskere ser i øjeblikket fremad i forhold til konventionel 3D-printning, som fremstiller strukturer af et enkelt materiale, for at udvikle en metamateriale struktur. Metamateriale-strukturen skabes ved at kombinere forskellige materialer, der giver overlappende strukturelle reaktioner, når de aktiveres af eksterne stimuli. Den kongruente udskrivning af forskellige materialer vil danne materialeanisotropi, som gør det muligt for objektet at ændre struktur ved at bøje, strække, vride og bølge sig langs dets akser. Forskerne arbejder videre på at udvide disse strukturelle ændringer til at skabe skabe skabe skabe, løfterum, mikrorør, bløde robotter, legetøj osv. Denne evne for objekter til at ændre deres struktur over tid ved hjælp af forskellige materialers adfærd betegnes som 4D-printning.
De største forskelle mellem 3D-printning og 4D-printning er brugen af de materialer, der skal printes, og printanlægget. Bilag 1 og 2, der er afbildet nedenfor, forklarer de vigtigste forskelle mellem 3D- og 4D-printning.
4D Printing Materials and Technologies
Major Research Areas
Da 4D-printteknologien stadig er i sin vordende fase, er de materialer, der anvendes til den, minimale. Forskning og fremskridt inden for 3D-printing forventes imidlertid at give nye muligheder for 4D-printing. De primære forskningsområder, der i øjeblikket er i fokus med hensyn til 4D-udskrivning, er afbildet i bilag 3 nedenfor.
Smart Material er et af de meget fokuserede forskningsområder inden for 4D-udskrivning, hvor deformationsmekanismen for forskellige materialer syntetiseres i henhold til deres reaktioner på forskellige eksterne stimuli. Udstyrsdesign beskæftiger sig med udvikling af avanceret printerteknologi, som kan udskrive flere materialer kongruent. I øjeblikket anvender forskerne direkte inkjethærdning, fused deposition modellering, stereolitografi, laserassisteret bioprinting og selektiv lasersmeltning til 4D-printing. Forskning i matematisk modellering er afgørende for forståelsen af de funktionelle strukturer af 4D-printede objekter. Den forudsiger deformations- (fremad) og dannelsesprocessen (bagud) af et objekt, der udløses af stimuli.
Materialevalg
Materialer til 4D-printing klassificeres på grundlag af deres miljø eller de eksterne stimuli, de reagerer på. De nuværende klasser af intelligente materialer er i øjeblikket klassificeret i nedenstående kategorier:
Thermo Responsive Materials
Disse materialer arbejder på mekanismen med formhukommelseffekt (SME). De er klassificeret i legeringer med formhukommelse (SMA), polymerer med formhukommelse (SMP), hybrider med formhukommelse (SMH), keramik med formhukommelse (SMC) og geler med formhukommelse (SMG). De fleste forskere foretrækker SMP’er, da det er let at udskrive på disse materialer. De dannes og deformeres, når varme eller termisk energi anvendes som en stimulans.
Fugtfølsomme materialer
Materialer, der reagerer, når de kommer i kontakt med vand eller fugt, klassificeres under denne kategori. Sådanne materialer foretrækkes i vid udstrækning af forskere, da vand er tilgængeligt i rigelige mængder, og det kan anvendes i en lang række applikationer. Hydrogelen er et af de smarte materialer, der falder ind under denne kategori, da det reagerer kraftigt med vand. F.eks. kan hydrogeler øge deres størrelse med op til 200 % af deres oprindelige volumen, når de kommer i kontakt med vand.
Foto/Electro/Magneto Responsive Materials
Disse materialer reagerer med lys, strøm og magnetfelter. Når f.eks. fotoreaktive chromophorer er indlagt i polymergeler på bestemte steder, svulmer de op og absorberer lys, når de udsættes for naturligt lys. På samme måde fordamper et ethanol, når der påføres strøm på et objekt, der indeholder ethanol, hvorved dets volumen øges og den samlede matrix udvides. Magnetiske nanopartikler er indlejret i det trykte objekt for at opnå magnetisk kontrol over objektet.
Anvendelser af 4D-printning
Ideen om det forprogrammerede intelligente objekt (skabt ved hjælp af intelligente materialer) synes at have flere anvendelsesmuligheder i forskellige industrier. Da der er tale om en ny teknologi, befinder de fleste af anvendelserne sig imidlertid i øjeblikket i forsknings- & udviklingsfasen. De vigtigste slutanvendelser af 4D-printteknologien forventes at komme fra sundhedssektoren, bilindustrien, luft- og rumfartsindustrien og forbrugerindustrien. Potentialet i 4D-printing forventes dog også at få indflydelse på andre industrier som f.eks. elektronik, byggeri, industri osv. i den nærmeste fremtid.
Nogle af de aktuelle undersøgelser inden for 4D-printing er afbildet i bilag 5 nedenfor.
Det selvopblæselige materiale, der er udviklet af BMW i samarbejde med MIT (som vist i ovenstående tabel), har vakt interesse hos flere eksperter. Materialet, der er fremstillet af silikone, pustes op, når det udløses af luftimpulser, og kan være fremtiden for pneumatik. Ud over de ovennævnte eksempler er der flere andre forsknings- & udviklingsaktiviteter, der gennemføres af nøgleaktører inden for 4D-printingindustrien. For eksempel omfatter nogle af anvendelserne inden for sundhedssektoren “målrettet lægemiddeloverførsel”, “fremstilling af stents” til minimal kirurgisk invasion, udvikling af formændrende “splinter” osv. Udviklingen af “Soft Robotics” og “Hydraulic and Pneumatic Actuators” er nogle af de vigtigste applikationer inden for dette industriområde. Konstruktionen af selvhelbredende veje og broer kunne være potentielle anvendelser i byggebranchen.
Den følgende figur 6 nedenfor forklarer den mulige tidslinje for 4D-printing’s indvirkning på forskellige anvendelser på tværs af industrier.
Teknologisk modenhed af 4D-printing
Billede 7 nedenfor viser den nuværende fase af den teknologiske udvikling inden for 4D-printing. Da teknologien befinder sig i den innovationsudløsende fase, har den helt sikkert skabt en masse hype; det vil dog tage mere end 10 år at nå et produktivitetsplateau.
Hypecyklussen peger også på, at flere fremskridt inden for 3D-printing stadig befinder sig i livscyklens innovationsudløsende og opblæste forventninger-faser. Dette indebærer, at 3D-printing har lang vej endnu, og at 4D-printing, som er efterfølgeren til 3D-printing, kan være langsom i sin udvikling. Det er dog ikke obligatorisk, at fremskridt inden for 4D-printing altid skal følge 3D-printing. Bortset fra 3D-printerens muligheder (dens evne til at printe flere materialer kongruent og til at printe på flere akser) er andre forskningsområder med fokus på intelligente materialer og matematisk modellering ikke åbenlyst afhængige af 3D-printning.
Konklusion – muligheder og udfordringer
Der er flere forsknings- og udviklingsprojekter, der er specifikke for 4D-printning, i gang i industrier som f.eks. sundhedssektoren, elektronik, bilindustrien, luft- og rumfart og forsvar, forbrugerudstyr (mode og varige forbrugsgoder), tekstil, byggeri og industrimaskiner. Selv om der er tale om en ny teknologi, er de potentielle muligheder, som 4D-printing giver, enorme og anerkendes af flere eksperter på området.
Markedet for 4D-printing er begyndt at etablere sig på grund af de mange forsknings- og udviklingsaktiviteter. Eksperterne har forskellige holdninger til væksten på markedet. Den optimistiske opfattelse af teknologien tyder på, at markedet vil vokse med en CAGR på ca. 33 % (en anslået stigning i markedsstørrelsen fra 35 mio. USD i 2019 til 200 mio. USD i 2025). Da 4D-printing er en ny teknologi i sin vorden, forudser FutureBridge imidlertid, at markedet for 4D-printing vil vokse med en lidt langsommere hastighed på 20 % i 2025 (se bilag 8).
Selv om 4D-printing er en lovende teknologi, skal den overvinde adskillige teknologiske forhindringer, før den kan blive bredt anvendt. Nogle af de største udfordringer i printindustrien omfatter manglende evne til at tilvejebringe støttestrukturer til komplekse objekter, mangel på printere med flere materialer, mangel på billige printere og intelligente materialer, langsomme printtider og den begrænsede pålidelighed af printede objekter på lang sigt. Selv om der er visse fremskridt inden for printteknologien, f.eks. 5-akseprintudstyr, som forventes at fjerne problemet med at opbygge støttestrukturer til komplicerede indre strukturer, er der stadig andre udfordringer.
Dertil kommer, at udfordringer som langsom og upræcis aktivering, manglende kontrol over mellemliggende deformationstilstande og begrænset tilgængelighed af materialer er andre årsager til den forsinkede indførelse af 4D-printteknologien. I betragtning af den interesse, som producenterne har vist, og det højintensive niveau af forsknings- og udviklingsaktiviteter med hensyn til 4D-printing, kan teknologien imidlertid foretage et eksponentiel spring i et hurtigere tempo end det forudsagte tempo. Endelig bør producenter, der ønsker at være på forkant med teknologiske ændringer og fremskridt, være på forkant med de teknologiske fremskridt og potentielle konsekvenser af 4D-printing.