Voorbeeld Bedrijfsdoelstelling #1

Inleiding

4D Printing – Definitie

De introductie van de vierde dimensie in de 3D print technologie wordt aangeduid als “4D Printing”. Met deze nieuwe dimensie bezitten 3D-geprinte objecten het vermogen om zelf van vorm te veranderen onder invloed van externe prikkels, zoals licht, warmte, elektriciteit, magnetisch veld, enz. Door de integratie van de tijdsdimensie veranderen de geprinte voorwerpen dynamisch van vorm op basis van de behoeften en eisen van de situatie, zonder elektromechanische onderdelen of bewegende delen. Dit vormveranderende fenomeen van 3D-geprinte objecten is gebaseerd op het vermogen van het materiaal om in de loop van de tijd te transformeren in reactie op specifieke stimuli, en het vereist geen menselijke tussenkomst om het proces te helpen.

Opkomst van 4D-printen uit 3D-printen

3D-printen, een additieve productietechniek, wordt beschouwd als een van de meest ontwrichtende innovaties op het gebied van moderne fabricage. Het heeft de manier waarop onderdelen/componenten en apparatuur in de industrie worden vervaardigd, samen met het ontwerp en de ontwikkeling ervan, volledig veranderd. 3D-printing stelt fabrikanten en onderzoekers in staat complexe vormen en structuren te ontwikkelen, die vroeger onmogelijk werden geacht met traditionele fabricagemethoden. De 3D-printtechnologie heeft de laatste 3 decennia een voortdurende ontwikkeling doorgemaakt en is drastisch geëvolueerd. Ondanks het vermogen om complexe, bio-geïnspireerde, multi-materiaal ontwerpen te maken, is 3D-printen nog niet klaar voor grootschalige productie.

De toenemende behoefte aan flexibele objecten in verschillende toepassingen, zoals zelf-vouwende verpakkingen, adaptieve windturbines, etc., heeft de opkomst van 4D-printen aangewakkerd. Onderzoekers kijken momenteel verder dan conventioneel 3D-printen, waarbij structuren uit één materiaal worden vervaardigd, om een meta-materiaalstructuur te ontwikkelen. De meta-materiaalstructuur wordt gegenereerd door verschillende materialen te combineren die superieure structurele reacties geven wanneer ze worden geactiveerd door externe stimuli. Het gelijktijdig printen van verschillende materialen zal materiaalanisotropie vormen, waardoor het object de structuur kan veranderen door te buigen, uit te rekken, te draaien en te golven langs zijn assen. Onderzoekers werken verder aan de uitbreiding van deze structuurveranderingen om lockers, lifters, microbuisjes, zachte robots, speelgoed, enz. te maken. Dit vermogen van voorwerpen om hun structuur in de tijd te veranderen door gebruik te maken van het gedrag van verschillende materialen wordt 4D-printen genoemd.

De belangrijkste verschillen tussen 3D-printen en 4D-printen zijn het gebruik van de te printen materialen en de printfaciliteit. In de onderstaande afbeeldingen 1 en 2 worden de belangrijkste verschillen tussen 3D- en 4D-printen toegelicht.

4D Printing Materials and Technologies

Major Research Areas

Aangezien de 4D-printingtechnologie zich nog in een beginstadium bevindt, worden er nog maar weinig materialen voor gebruikt. Verwacht wordt echter dat onderzoek en vooruitgang op het gebied van 3D-printen nieuwe mogelijkheden zullen bieden voor 4D-printen. De primaire onderzoeksgebieden waarop momenteel de nadruk wordt gelegd met betrekking tot 4D-printen, worden weergegeven in Exhibit 3 hieronder.

Smart Material is een van de zeer gerichte onderzoeksgebieden in 4D-printen, waarin het vervormingsmechanisme van verschillende materialen wordt gesynthetiseerd op basis van hun reacties op verschillende externe stimuli. Equipment Design houdt zich bezig met het ontwikkelen van geavanceerde printertechnologie, waarmee meerdere materialen congruent kunnen worden bedrukt. Momenteel gebruiken onderzoekers directe inkjet-cure, modellering met gesmolten afzetting, stereolithografie, laser-geassisteerde bioprinting, en selectieve lasersmelting methodes voor 4D printen. Onderzoek naar wiskundige modellering is essentieel om de functionele structuren van 4D geprinte objecten te begrijpen. Het voorspelt de vervorming (voorwaarts) en vorming (achterwaarts) proces van een object getriggerd door stimuli.

Material Selection

Materialen voor 4D printen zijn geclassificeerd op basis van hun omgeving of de externe stimuli waarmee ze reageren. De huidige klassen van slimme materialen worden momenteel ingedeeld in de volgende categorieën:

Thermo Responsive Materials

Deze materialen werken op het mechanisme van het vormgeheugeneffect (SME). Zij worden ingedeeld in Shape Memory Alloys (SMA), Shape Memory Polymers (SMP), Shape Memory Hybrids (SMH), Shape Memory Ceramics (SMC), en Shape Memory Gels (SMG). De meeste onderzoekers geven de voorkeur aan SMP’s omdat deze materialen gemakkelijk te bedrukken zijn. Zij vormen en vervormen zich wanneer warmte of thermische energie als prikkel wordt toegepast.

Moisture Responsive Materials

Materialen die reageren wanneer zij in contact komen met water of vocht worden in deze categorie ingedeeld. Dergelijke materialen genieten op grote schaal de voorkeur van onderzoekers, omdat water in overvloed beschikbaar is, en het kan worden gebruikt in een breed scala van toepassingen. De hydrogel is een van de slimme materialen die onder deze categorie vallen, omdat hij krachtig reageert met water. Bijvoorbeeld, kunnen de hydrogels zijn grootte tot 200% van zijn oorspronkelijk volume verhogen, wanneer het in contact met water komt.

Photo/Elektro/Magneto Responsive Materials

Deze materialen reageren met licht, stroom, en magnetische velden. Bijvoorbeeld, wanneer de foto responsieve chromoforen met polymeergels op specifieke plaatsen worden doordrenkt, zwellen zij op absorberend licht wanneer blootgesteld aan natuurlijk licht. Op dezelfde manier verdampt een voorwerp dat ethanol bevat wanneer er stroom op wordt gezet, waardoor het volume toeneemt en de totale matrix groter wordt. Magnetische nanodeeltjes worden in het geprinte object ingebed om magnetische controle over het object te krijgen.

Toepassingen van 4D Printing

Het idee van het voorgeprogrammeerde intelligente object (gemaakt met slimme materialen) lijkt verscheidene toepassingen te hebben in verschillende industrieën. Aangezien het echter om een nieuwe technologie gaat, bevinden de meeste toepassingen zich momenteel in de & ontwikkelingsfase van het onderzoek. Verwacht wordt dat de belangrijkste eindgebruikerstoepassingen van 4D-printtechnologie zich zullen voordoen in de gezondheidszorg, de auto-industrie, de lucht- en ruimtevaart en de consumentenindustrie. Verwacht wordt echter dat het potentieel van 4D-printing in de nabije toekomst ook gevolgen zal hebben voor andere sectoren, zoals elektronica, bouw, industrie, enz.

Enkele van de huidige onderzoeken op het gebied van 4D-printing zijn weergegeven in de onderstaande Exhibit 5.

Het zelfopblaasbare materiaal dat is ontwikkeld door BMW, in samenwerking met MIT (zoals weergegeven in de bovenstaande tabel) heeft de belangstelling gewekt van verschillende deskundigen. Het materiaal, gemaakt van siliconen die worden opgeblazen wanneer ze door luchtimpulsen worden geactiveerd, zou de toekomst van de pneumatiek kunnen zijn. Afgezien van de hierboven gegeven voorbeelden zijn er verschillende andere onderzoek- & ontwikkelingsactiviteiten ondernomen door belangrijke spelers in de 4D-printingindustrie. Enkele van de toepassingen in de gezondheidszorg zijn bijvoorbeeld “gerichte medicijnafgifte”, “fabricage van stents” voor minimale chirurgische ingrepen, ontwikkeling van vormveranderende “spalken”, enz. De ontwikkeling van “zachte robotica” en “hydraulische en pneumatische actuatoren” zijn enkele van de belangrijkste toepassingen in dit industriële domein. De bouw van zelfhelende wegen en bruggen zou potentiële toepassingen in de bouwindustrie kunnen zijn.

Hieronder wordt in Exhibit 6 de mogelijke impacttijdlijn van 4D-printen op verschillende toepassingen in verschillende industrieën toegelicht.

Technologische rijpheid van 4D-printen

Hieronder wordt in Exhibit 7 de huidige fase van technologische ontwikkelingen in 4D-printen weergegeven. Aangezien de technologie zich in de innovatietriggerfase bevindt, heeft ze zeker voor veel hype gezorgd; het zal echter meer dan 10 jaar duren voordat het productiviteitsplateau wordt bereikt.

De hypecyclus geeft ook aan dat verschillende ontwikkelingen in 3D-printen zich nog steeds in de innovatietrigger- en opgeblazen verwachtingenfase van de levenscyclus bevinden. Dit impliceert dat 3D-printen nog een lange weg te gaan heeft, en dat 4D-printen, de opvolger van 3D-printen, traag op gang zou kunnen komen. Het is echter niet verplicht dat de vooruitgang in 4D-printen altijd moet volgen op 3D-printen. Afgezien van de mogelijkheden van een 3D-printer (het vermogen om meerdere materialen congruent te printen en om op meerdere assen te printen), zijn andere onderzoeksgebieden die zich richten op slimme materialen en wiskundige modellering niet openlijk afhankelijk van 3D-printen.

Conclusie – Kansen en uitdagingen

Er lopen verschillende onderzoeks- en ontwikkelingsprojecten die specifiek zijn voor 4D-printen in industrieën zoals de gezondheidszorg, elektronica, auto-industrie, lucht- en ruimtevaart en defensie, consumententoestellen (mode en duurzame consumptiegoederen), textiel, de bouw en industriële machines. Ondanks het feit dat het om een nieuwe technologie gaat, zijn de potentiële mogelijkheden van 4D-printen enorm en worden zij erkend door verschillende deskundigen op dit gebied.

De markt voor 4D-printen begint zich te vestigen, als gevolg van talrijke onderzoeks- en ontwikkelingsactiviteiten. De meningen van deskundigen over de groei van de markt lopen uiteen. De optimistische kijk op de technologie suggereert dat de markt zou groeien met een CAGR van ongeveer 33% (een geschatte toename van de marktomvang van US$35 miljoen in 2019 tot US$200 miljoen in 2025). Omdat het echter om een nieuwe technologie gaat die nog in de kinderschoenen staat, voorspelt FutureBridge dat de markt voor 4D-printen tegen 2025 tegen een iets trager tempo van 20% zou groeien (zie Exhibit 8).

Ondanks het feit dat 4D-printen een veelbelovende technologie is, moeten verschillende technologische hindernissen worden overwonnen voordat ze op grote schaal wordt toegepast. Enkele van de grootste uitdagingen in de grafische industrie zijn het gebrek aan mogelijkheden om complexe objecten te ondersteunen, het gebrek aan multimateriaalprinters, het gebrek aan goedkope printers en slimme materialen, de trage printtijden en de beperkte betrouwbaarheid van geprinte objecten op de lange termijn. Hoewel er bepaalde vorderingen zijn gemaakt in de printtechnologie, zoals 5-assige printapparatuur, die naar verwachting het probleem van het bouwen van ondersteunende structuren voor gecompliceerde interne structuren zal elimineren, zijn er nog steeds andere uitdagingen.

Verder zijn uitdagingen zoals langzame en onnauwkeurige actuatie, gebrek aan controle over tussenliggende staten van vervorming, en beperkte beschikbaarheid van materialen andere redenen voor de vertraagde adoptie van de 4D-printtechnologie. Gezien de belangstelling van de fabrikanten en de hoge intensiteit van de onderzoeks- en ontwikkelingsactiviteiten met betrekking tot 4D-printen, zou de technologie echter een exponentiële sprong kunnen maken in een sneller tempo dan voorspeld. Ten slotte moeten fabrikanten die voorop willen lopen bij technologische veranderingen en vooruitgang op de hoogte zijn van de technologische vooruitgang en de mogelijke implicaties van 4D-printen.