Minta üzleti cél #1
Bevezetés
4D nyomtatás – Definíció
A negyedik dimenzió bevezetését a 3D nyomtatási technológiába “4D nyomtatásnak” nevezzük. Ezzel az új dimenzióval a 3D nyomtatott tárgyak rendelkeznek azzal a képességgel, hogy külső ingerek, például fény, hő, elektromosság, mágneses mező stb. hatására maguk változtatják meg alakjukat. Az idő dimenziójának integrálásával a nyomtatott tárgyak dinamikusan változtatják alakjukat az adott helyzet igényei és szükségletei alapján, elektromechanikus alkatrészek vagy mozgó alkatrészek nélkül. A 3D nyomtatott tárgyak ezen alakváltoztatási jelensége az anyag azon képességén alapul, hogy az idő múlásával bizonyos ingerekre reagálva átalakul, és nem igényel emberi beavatkozást a folyamat segítésére.
A 4D nyomtatás megjelenése a 3D nyomtatásból
A 3D nyomtatás, az additív gyártási technika a modern gyártás egyik legmegbontóbb innovációjának számít. Teljesen átalakította az alkatrészek/alkatrészek és berendezések gyártásának módját az iparban, valamint azok tervezését és fejlesztését. A 3D nyomtatás lehetővé teszi a gyártók és a kutatók számára, hogy olyan összetett formákat és szerkezeteket fejlesszenek ki, amelyeket korábban a hagyományos gyártási módszerekkel lehetetlennek tartottak. A 3D nyomtatási technológia az elmúlt 3 évtizedben folyamatos fejlődésnek volt tanúja, és drasztikusan fejlődött. Annak ellenére, hogy képes komplex, bioinspirált, több anyagból készült formatervek létrehozására, a 3D nyomtatás még nem áll készen a nagyüzemi gyártásban való alkalmazásra.
A rugalmas tárgyak iránti növekvő igény a különböző alkalmazásokban, mint például az önhajtogató csomagolások, adaptív szélturbinák stb. a 4D nyomtatás megjelenését táplálta. A kutatók jelenleg a hagyományos 3D nyomtatást megelőzve, amely egyetlen anyagból gyárt szerkezeteket, egy meta-anyag szerkezetet fejlesztenek ki. A meta-anyag szerkezetet különböző anyagok kombinálásával hozzák létre, amelyek külső ingerek hatására egymás fölé helyezett szerkezeti válaszokat adnak. A különböző anyagok kongruens nyomtatása anyagi anizotrópiát alakít ki, amely lehetővé teszi, hogy a tárgy a tengelyei mentén hajlítással, nyúlással, csavarással és hullámosítással megváltoztassa a szerkezetét. A kutatók tovább dolgoznak ezen szerkezeti változások kiterjesztésén, hogy szekrényeket, emelőket, mikrocsöveket, puha robotokat, játékokat stb. hozzanak létre. A tárgyaknak ezt a képességét, hogy a különböző anyagok viselkedésének felhasználásával idővel átalakítsák szerkezetüket, 4D nyomtatásnak nevezik.
A 3D nyomtatás és a 4D nyomtatás közötti fő különbségek a nyomtatandó anyagok használatában és a nyomtatási létesítményben rejlenek. Az alább ábrázolt 1. és 2. ábra a 3D és a 4D nyomtatás közötti főbb különbségeket magyarázza.
4D nyomtatási anyagok és technológiák
Főbb kutatási területek
Mivel a 4D nyomtatási technológia még kialakulóban van, az ehhez használt anyagok minimálisak. A 3D nyomtatással kapcsolatos kutatás és fejlődés azonban várhatóan új lehetőségeket biztosít majd a 4D nyomtatás számára. A 4D-nyomtatással kapcsolatban jelenleg fókuszban lévő elsődleges kutatási területeket az alábbi 3. ábra mutatja be.
Az intelligens anyag a 4D-nyomtatás egyik kiemelt kutatási területe, ahol a különböző anyagok deformációs mechanizmusát a különböző külső ingerekre adott válaszaiknak megfelelően szintetizálják. A berendezés-tervezés olyan fejlett nyomtatótechnológia fejlesztésével foglalkozik, amely több anyagot képes kongruens módon nyomtatni. Jelenleg a kutatók a 4D nyomtatáshoz közvetlen tintasugaras kikeményítést, olvasztott lerakódásos modellezést, sztereolitográfiát, lézerrel támogatott bioprintelést és szelektív lézerolvasztásos módszereket használnak. A matematikai modellezéssel kapcsolatos kutatás elengedhetetlen a 4D nyomtatott tárgyak funkcionális struktúráinak megértéséhez. Megjósolja egy tárgy ingerek által kiváltott deformálódási (előre) és kialakulási (hátrafelé) folyamatát.
Az anyagok kiválasztása
A 4D nyomtatáshoz használt anyagokat a környezetük vagy a külső ingerek alapján osztályozzák, amelyekre reagálnak. Az intelligens anyagok jelenlegi osztályai jelenleg az alábbi kategóriákba sorolhatók:
Thermoreaktív anyagok
Ezek az anyagok az alakemlékezeti hatás (SME) mechanizmusa alapján működnek. Az alakemlékező ötvözetek (SMA), az alakemlékező polimerek (SMP), az alakemlékező hibridek (SMH), az alakemlékező kerámiák (SMC) és az alakemlékező gélek (SMG) közé sorolhatók. A legtöbb kutató az SMP-ket részesíti előnyben, mivel ezekre az anyagokra könnyű nyomtatni. Formálódnak és deformálódnak, amikor hő- vagy hőenergiát alkalmaznak ingerületként.
Nedvességre reagáló anyagok
Azokat az anyagokat, amelyek vízzel vagy nedvességgel érintkezve reagálnak, ebbe a kategóriába sorolják. Az ilyen anyagokat a kutatók széles körben előnyben részesítik, mivel a víz bőségesen rendelkezésre áll, és számos alkalmazásban felhasználható. A hidrogél egyike az ebbe a kategóriába tartozó intelligens anyagoknak, mivel erőteljesen reagál a vízzel. A hidrogélek például az eredeti térfogatuk akár 200%-ával is képesek megnövelni a méretüket, amikor vízzel érintkeznek.
Fényre/elektro/elektromos/magnetikusan reagáló anyagok
Ezek az anyagok fényre, áramra és mágneses mezőkre reagálnak. Például, amikor a fotóra reagáló kromofórokat meghatározott helyeken polimer gélekbe juttatják, azok természetes fény hatására megduzzadnak, és elnyelik a fényt. Hasonlóképpen, amikor áramot alkalmazunk egy etanolt tartalmazó tárgyra, az elpárolog, ezáltal megnövelve annak térfogatát és kitágítva a teljes mátrixot. A nyomtatott tárgyba mágneses nanorészecskéket ágyaznak be, hogy mágneses irányítást nyerjenek a tárgy felett.
A 4D nyomtatás alkalmazásai
Az előre programozott (intelligens anyagok felhasználásával létrehozott) intelligens tárgy gondolata számos alkalmazásnak tűnik a különböző iparágakban. Mivel azonban újszerű technológiáról van szó, a legtöbb alkalmazás jelenleg a kutatási & fejlesztési fázisban van. A 4D nyomtatási technológia főbb végfelhasználói alkalmazásai várhatóan az egészségügyben, az autóiparban, a repülőgépiparban és a fogyasztói iparban jelennek meg. A 4D-nyomtatásban rejlő lehetőségek azonban a közeljövőben várhatóan más iparágakra is hatással lesznek, például az elektronikai, építőipari, ipari stb. iparágakra.
A 4D-nyomtatás területén jelenleg folyó kutatások közül néhányat az alábbi 5. ábra mutat be.
A BMW által az MIT-vel együttműködésben kifejlesztett önfelfújható anyag (ahogy a fenti táblázatban látható) több szakértő érdeklődését is felkeltette. A szilikonból készült, levegőimpulzusok hatására felfúvódó anyag a pneumatika jövőjét jelentheti. A fenti példákon kívül számos más kutatási & fejlesztési tevékenységet is folytatnak a 4D nyomtatási iparág kulcsszereplői. Az egészségügyi iparban például néhány alkalmazás a következő: “Célzott gyógyszeradagolás”, “Sztentek gyártása” a minimális sebészeti beavatkozás érdekében, alakváltoztató “sín” kifejlesztése stb. A “puha robotika” és a “hidraulikus és pneumatikus működtetők” fejlesztése az ipari terület néhány kulcsfontosságú alkalmazása. Az öngyógyító utak és hidak építése potenciális alkalmazások lehetnek az építőiparban.
A következő 6. ábra a 4D nyomtatás lehetséges hatásainak időbeli ütemezését mutatja be a különböző iparágak különböző alkalmazásaira.
A 4D nyomtatás technológiai érettsége
A 7. ábra a 4D nyomtatás technológiai fejlődésének jelenlegi fázisát mutatja be. Mivel a technológia az innovációt kiváltó fázisban van, minden bizonnyal nagy hype-ot keltett, azonban több mint 10 évbe fog telni, amíg eléri a termelékenység platóját.
A hype-ciklus azt is jelzi, hogy a 3D-nyomtatás számos fejlesztése még az életciklus innovációt kiváltó és a felfújt elvárások fázisában van. Ez azt jelenti, hogy a 3D nyomtatásnak még hosszú út áll előttünk, és a 3D nyomtatás utódjának számító 4D nyomtatás lassan fejlődhet. Nem kötelező azonban, hogy a 4D nyomtatás fejlődésének mindig követnie kell a 3D nyomtatást. A 3D nyomtató képességeitől eltekintve (több anyag egybeeső nyomtatására és több tengelyen történő nyomtatására való képesség), az intelligens anyagokra és a matematikai modellezésre összpontosító egyéb kutatási területek nem függnek nyíltan a 3D nyomtatástól.
Következtetés – lehetőségek és kihívások
A 4D nyomtatással kapcsolatos számos kutatási és fejlesztési projekt van folyamatban olyan iparágakban, mint az egészségügy, elektronika, autóipar, repülőgépipar és védelem, fogyasztói készülékek (divat és tartós fogyasztási cikkek), textilipar, építőipar és ipari gépek. Annak ellenére, hogy új technológiáról van szó, a 4D nyomtatásban rejlő potenciális lehetőségek hatalmasak, és ezt a terület számos szakértője elismeri.
A 4D nyomtatás piaca kezd kialakulni a számos kutatási és fejlesztési tevékenységnek köszönhetően. A szakértők véleménye a piac növekedéséről megoszlik. A technológiával kapcsolatos optimista vélemények szerint a piac körülbelül 33%-os CAGR-rel fog növekedni (a becslések szerint a piac mérete a 2019-es 35 millió USD-ről 2025-re 200 millió USD-re nő). Mivel azonban a FutureBridge előrejelzése szerint a 4D nyomtatási piac 2025-re valamivel lassabb, 20%-os növekedési ütemben fog növekedni (lásd a 8. ábrát).
Az ígéretes technológia ellenére a 4D nyomtatásnak számos technológiai akadályt kell leküzdenie, mielőtt széles körben elterjedne. A nyomtatási iparág néhány fő kihívása közé tartozik az összetett tárgyak tartószerkezetének hiánya, a több anyagból készült nyomtatók hiánya, az alacsony költségű nyomtatók és intelligens anyagok hiánya, a lassú nyomtatási idő, valamint a nyomtatott tárgyak hosszú távon korlátozott megbízhatósága. Bár vannak bizonyos előrelépések a nyomtatási technológiában, mint például az 5 tengelyes nyomtatóberendezések, amelyek várhatóan kiküszöbölik a bonyolult belső szerkezetek tartószerkezeteinek kialakításával kapcsolatos problémát, más kihívások továbbra is fennállnak.
A 4D nyomtatási technológia késedelmes elfogadásának további okai közé tartozik továbbá a lassú és pontatlan működtetés, a deformáció közbenső állapotainak ellenőrzésének hiánya, valamint az anyagok korlátozott elérhetősége. Figyelembe véve azonban a gyártók érdeklődését és a 4D nyomtatással kapcsolatos kutatás-fejlesztési tevékenység magas intenzitását, a technológia az előre jelzettnél gyorsabb ütemben ugorhat meg exponenciálisan. Végezetül, azoknak a gyártóknak, akik a technológiai változások és fejlesztések élvonalában szeretnének lenni, lépést kell tartaniuk a 4D nyomtatás technológiai fejlődésével és lehetséges következményeivel.