Esimerkki liiketoimintatavoitteesta #1

Esittely

4D-tulostus – Määritelmä

Neljännen ulottuvuuden käyttöönottoa 3D-tulostustekniikassa kutsutaan nimellä ”4D-tulostus”. Tämän uuden ulottuvuuden ansiosta 3D-tulostetuilla esineillä on kyky muuttaa muotoaan itse ulkoisten ärsykkeiden, kuten valon, lämmön, sähkön, magneettikentän jne. vaikutuksesta. Integroimalla aikaulottuvuus, tulostetut esineet muuttavat muotoaan dynaamisesti tilanteen tarpeiden ja vaatimusten mukaan ilman sähkömekaanisia osia tai liikkuvia osia. Tämä 3D-tulostettujen esineiden muodonmuutosilmiö perustuu materiaalin kykyyn muuttua ajan myötä vastauksena tiettyihin ärsykkeisiin, eikä se vaadi ihmisen väliintuloa prosessin avuksi.

4D-tulostuksen syntyminen 3D-tulostuksesta

3D-tulostusta, additiivista valmistustekniikkaa, pidetään yhtenä nykyaikaisen valmistuksen mullistavimmista innovaatioista. Se on muuttanut täysin tapaa, jolla osia/komponentteja ja laitteita valmistetaan teollisuudessa, sekä niiden suunnittelua ja kehittämistä. 3D-tulostuksen avulla valmistajat ja tutkijat voivat kehittää monimutkaisia muotoja ja rakenteita, joita aiemmin pidettiin mahdottomina perinteisillä valmistusmenetelmillä. 3D-tulostustekniikka on kehittynyt jatkuvasti viimeisten kolmen vuosikymmenen aikana, ja se on kehittynyt huomattavasti. Huolimatta sen kyvystä luoda monimutkaisia, bio-vaikutteisia ja monimateriaalisia malleja 3D-tulostus ei ole vielä valmis laajamittaiseen valmistukseen.

Joustavien esineiden kasvava tarve erilaisissa sovelluksissa, kuten itsestään taittuvissa pakkauksissa, mukautuvissa tuuliturbiineissa jne., on vauhdittanut 4D-tulostuksen syntymistä. Tutkijat katsovat tällä hetkellä perinteisen 3D-tulostuksen, jossa valmistetaan rakenteita yhdestä materiaalista, edelle ja kehittävät metamateriaalirakenteita. Metamateriaalirakenne syntyy yhdistelemällä eri materiaaleja, jotka tuottavat päällekkäisiä rakenteellisia vasteita, kun niitä aktivoidaan ulkoisilla ärsykkeillä. Eri materiaalien yhtenevä tulostaminen muodostaa materiaalin anisotrooppisuuden, jonka ansiosta esine voi muuttaa rakennettaan taivuttamalla, venyttämällä, vääntämällä ja aaltoilemalla akseleitaan pitkin. Tutkijat työskentelevät edelleen näiden rakennemuutosten laajentamiseksi siten, että voidaan luoda kaappeja, nostimia, mikroputkia, pehmeitä robotteja, leluja jne. Tätä esineiden kykyä muuttaa rakennettaan ajan myötä käyttämällä eri materiaalien käyttäytymistä kutsutaan 4D-tulostukseksi.

Suurimmat erot 3D-tulostuksen ja 4D-tulostuksen välillä ovat tulostettavien materiaalien käyttö ja tulostuslaitteisto. Alla olevissa kuvissa 1 ja 2 selitetään 3D- ja 4D-tulostuksen suurimmat erot.

4D-tulostusmateriaalit ja -teknologiat

Pääasialliset tutkimusalueet

Koska 4D-tulostustekniikka on vielä alkuvaiheessa, siinä käytettävät materiaalit ovat vähäisiä. 3D-tulostuksen tutkimuksen ja kehityksen odotetaan kuitenkin tarjoavan uusia mahdollisuuksia 4D-tulostukselle. Ensisijaiset tutkimusalueet, joihin tällä hetkellä keskitytään 4D-tulostuksen osalta, on esitetty alla olevassa kuvassa 3.

Smart Material on yksi 4D-tulostuksen voimakkaasti keskitetyistä tutkimusalueista, jossa erilaisten materiaalien muodonmuutosmekanismi syntetisoidaan niiden reaktioiden mukaan erilaisiin ulkoisiin ärsykkeisiin. Laitesuunnittelu käsittelee kehittynyttä tulostinteknologiaa, jolla voidaan tulostaa useita materiaaleja yhteneväisesti. Tällä hetkellä tutkijat käyttävät 4D-tulostukseen suora mustesuihkukovettamista, sulatettua laskeumamallinnusta, stereolitografiaa, laseravusteista biotulostusta ja valikoivaa lasersulatusta. Matemaattisen mallintamisen tutkimus on olennaista 4D-tulostettujen esineiden toiminnallisten rakenteiden ymmärtämiseksi. Se ennustaa ärsykkeiden käynnistämän objektin muodonmuutos- (eteenpäin) ja muodostumisprosessin (taaksepäin).

Materiaalien valinta

4D-tulostuksessa käytettävät materiaalit luokitellaan niiden ympäristön tai ulkoisten ärsykkeiden perusteella, joihin ne reagoivat. Nykyiset älykkäiden materiaalien luokat luokitellaan tällä hetkellä seuraaviin luokkiin:

Termoreagoivat materiaalit

Nämä materiaalit toimivat muotomuistiefektin (SME) mekanismilla. Ne luokitellaan muotomuistiseoksiin (Shape Memory Alloys, SMA), muotomuistipolymeereihin (Shape Memory Polymers, SMP), muotomuistihybrideihin (Shape Memory Hybrids, SMH), muotomuistikeraameihin (Shape Memory Ceramics, SMC) ja muotomuistigeeleihin (Shape Memory Gels, SMG). Useimmat tutkijat suosivat SMP:tä, koska näille materiaaleille on helppo tulostaa. Ne muotoutuvat ja deformoituvat, kun lämpöä tai lämpöenergiaa käytetään ärsykkeenä.

Kosteuteen reagoivat materiaalit

Materiaalit, jotka reagoivat joutuessaan kosketuksiin veden tai kosteuden kanssa, luokitellaan tähän luokkaan. Tällaiset materiaalit ovat laajalti tutkijoiden suosiossa, koska vettä on saatavilla runsaasti ja sitä voidaan käyttää monenlaisissa sovelluksissa. Hydrogeeli on yksi tähän luokkaan kuuluvista älykkäistä materiaaleista, sillä se reagoi voimakkaasti veden kanssa. Hydrogeelit voivat esimerkiksi kasvattaa kokoaan jopa 200 % alkuperäisestä tilavuudestaan, kun ne joutuvat kosketuksiin veden kanssa.

Foto/sähkö/magneettisesti reagoivat materiaalit

Nämä materiaalit reagoivat valon, virran ja magneettikenttien kanssa. Kun esimerkiksi valoon reagoivia kromoforeja lisätään polymeerigeeleihin tietyissä kohdissa, ne turpoavat ja absorboivat valoa, kun ne altistetaan luonnonvalolle. Vastaavasti kun etanolia sisältävään esineeseen kohdistetaan virtaa, se haihtuu, jolloin sen tilavuus kasvaa ja koko matriisi laajenee. Magneettiset nanohiukkaset upotetaan tulostettuun esineeseen, jotta esine saadaan magneettisesti hallintaan.

4D-tulostuksen sovellukset

Ajatus esiohjelmoidusta älykkäästä esineestä (joka on luotu älykkäiden materiaalien avulla) näyttäisi tarjoavan useita sovelluksia eri toimialoilla. Koska kyseessä on kuitenkin uusi teknologia, suurin osa sovelluksista on tällä hetkellä tutkimus- & kehitysvaiheessa. 4D-tulostustekniikan tärkeimpien loppukäyttösovellusten odotetaan syntyvän terveydenhuollossa, autoteollisuudessa, ilmailu- ja avaruusteollisuudessa sekä kulutusteollisuudessa. 4D-tulostuksen potentiaalin odotetaan kuitenkin vaikuttavan lähitulevaisuudessa myös muihin teollisuudenaloihin, kuten elektroniikkaan, rakentamiseen, teollisuuteen jne.

Joitakin 4D-tulostuksen alan tämänhetkisiä tutkimuksia on esitetty alla olevassa taulukossa 5.

BMW:n yhteistyössä MIT:n kanssa kehittämä itsestään puhallettava materiaali (kuten edellä olevassa taulukossa on esitetty) on herättänyt useiden asiantuntijoiden kiinnostuksen. Silikonista valmistettu materiaali, joka puhkeaa ilmapulssien laukaistessa, saattaa olla pneumatiikan tulevaisuus. Edellä mainittujen esimerkkien lisäksi 4D-tulostusteollisuuden keskeiset toimijat ovat toteuttaneet useita muitakin tutkimus- & kehitystoimia. Esimerkiksi joitakin terveydenhuoltoalan sovelluksia ovat ”kohdennettu lääkkeiden jakelu”, ”stenttien valmistus” minimaalista kirurgista invaasiota varten, muotoa muuttavien ”lastojen” kehittäminen jne. Pehmeän robotiikan” ja hydraulisten ja pneumaattisten toimilaitteiden” kehittäminen ovat joitakin keskeisiä sovelluksia tällä teollisuudenalalla. Itsestään paranevien teiden ja siltojen rakentaminen voisi olla potentiaalisia sovelluksia rakennusteollisuudessa.

Seuraavassa kuviossa 6 selvitetään 4D-tulostuksen mahdollista vaikutusaikataulua erilaisiin sovelluksiin eri teollisuudenaloilla.

4D-tulostuksen teknologinen kypsyysaste

Alla olevassa kuviossa 7 esitellään 4D-tulostuksen teknologisen kehityksen nykyvaihe. Koska teknologia on innovaation käynnistysvaiheessa, se on varmasti aiheuttanut paljon hypeä; tuottavuuden tasolle pääseminen vie kuitenkin yli 10 vuotta.

Hype-sykli osoittaa myös, että useat 3D-tulostuksen edistysaskeleet ovat vielä elinkaaren innovaation käynnistysvaiheessa ja elinkaaren ylimitoitettujen odotusten vaiheessa. Tämä viittaa siihen, että 3D-tulostuksella on vielä pitkä matka edessään, ja 3D-tulostuksen seuraajana oleva 4D-tulostus voi edetä hitaasti. Ei kuitenkaan ole pakollista, että 4D-tulostuksen kehityksen pitäisi aina seurata 3D-tulostusta. Lukuun ottamatta 3D-tulostimen ominaisuuksia (sen kyky tulostaa useita materiaaleja yhteneväisesti ja tulostaa useilla akseleilla), muut älykkäisiin materiaaleihin ja matemaattiseen mallintamiseen keskittyvät tutkimusalueet eivät ole avoimesti riippuvaisia 3D-tulostuksesta.

Johtopäätökset – Mahdollisuudet ja haasteet

Lukuisia 4D-tulostukseen liittyviä tutkimus- ja kehityshankkeita on meneillään teollisuudenaloilla, kuten terveydenhuoltoalalla, elektroniikassa, autoteollisuudessa, lentokoneissa, ilmailu- ja avaruusteollisuudessa ja puolustusteollisuudessa, kodinkoneiden alalla, tekstiilialalla, rakennusalalla, rakennustekniikassa ja teollisuuskoneiden alalla. Vaikka 4D-tulostus on uusi tekniikka, sen tarjoamat mahdollisuudet ovat valtavat, ja useat alan asiantuntijat tunnustavat ne.

4D-tulostuksen markkinat ovat alkaneet vakiintua lukuisten tutkimus- ja kehitystoimien ansiosta. Asiantuntijoiden mielipiteet markkinoiden kasvusta vaihtelevat. Optimistinen näkemys teknologiasta viittaa siihen, että markkinat kasvaisivat noin 33 prosentin CAGR:llä (arvioitu markkinakoon kasvu 35 miljoonasta dollarista vuonna 2019 200 miljoonaan dollariin vuoteen 2025 mennessä). Koska kyseessä on kuitenkin vasta alkuvaiheessa oleva uusi teknologia, FutureBridge ennustaa, että 4D-tulostuksen markkinat kasvaisivat hieman hitaammin eli 20 prosenttia vuoteen 2025 mennessä (ks. liite 8).

Lupaavasta teknologiasta huolimatta 4D-tulostuksen on voitettava useita teknologisia esteitä, ennen kuin se saadaan laajasti käyttöön. Joitakin tulostusteollisuuden suurimpia haasteita ovat muun muassa puutteellinen kyky tarjota tukirakenteita monimutkaisille esineille, monimateriaalitulostimien puute, edullisten tulostimien ja älykkäiden materiaalien puute, hitaat tulostusajat ja tulostettujen esineiden rajallinen luotettavuus pitkällä aikavälillä. Vaikka tulostustekniikassa on tapahtunut tiettyjä edistysaskeleita, kuten 5-akselinen tulostuslaitteisto, jonka odotetaan poistavan ongelman tukirakenteiden rakentamisesta monimutkaisille sisäisille rakenteille, muita haasteita on edelleen jäljellä.

Lisäksi haasteet, kuten hidas ja epätarkka käyttö, muodonmuutoksen välitilojen hallinnan puute ja materiaalien rajallinen saatavuus, ovat muita syitä 4D-tulostustekniikan viivästyneeseen käyttöönottoon. Kun kuitenkin otetaan huomioon valmistajien osoittama kiinnostus ja 4D-tulostukseen liittyvän tutkimus- ja kehitystoiminnan korkea intensiteetti, teknologia voi tehdä eksponentiaalisen harppauksen ennustettua nopeammin. Lopuksi totean, että valmistajien, jotka haluavat olla teknologisten muutosten ja edistysaskeleiden eturintamassa, olisi oltava ajan tasalla 4D-tulostuksen teknologisesta kehityksestä ja mahdollisista vaikutuksista.