Przykładowy cel biznesowy #1

.

Wprowadzenie

Drukowanie 4D – Definicja

Wprowadzenie czwartego wymiaru do technologii druku 3D określane jest jako „Drukowanie 4D”. Dzięki temu nowemu wymiarowi, obiekty drukowane 3D posiadają zdolność do samodzielnej zmiany swojego kształtu pod wpływem bodźców zewnętrznych, takich jak światło, ciepło, elektryczność, pole magnetyczne itp. Poprzez integrację wymiaru czasu, drukowane obiekty zmieniają swój kształt dynamicznie w oparciu o potrzeby i wymagania sytuacji, bez żadnych części elektromechanicznych lub ruchomych. To zjawisko zmiany kształtu obiektów drukowanych w 3D opiera się na zdolności materiału do przekształcania się w czasie w odpowiedzi na określone bodźce i nie wymaga interwencji człowieka, aby wspomóc proces.

Wyłonienie się druku 4D z druku 3D

Druk 3D, technika wytwarzania addytywnego, jest uważany za jedną z najbardziej przełomowych innowacji w dziedzinie nowoczesnej produkcji. Całkowicie zmienił sposób, w jaki części/komponenty i sprzęt są produkowane w przemyśle, wraz z ich projektowaniem i rozwojem. Druk 3D umożliwia producentom i naukowcom opracowywanie skomplikowanych kształtów i struktur, które wcześniej były uważane za niemożliwe przy użyciu tradycyjnych metod wytwarzania. Technologia druku 3D była świadkiem ciągłego postępu w ciągu ostatnich 3 dekad i przeszła drastyczną ewolucję. Pomimo zdolności do tworzenia złożonych, inspirowanych biologicznie, wielomateriałowych projektów, druk 3D nie jest jeszcze gotowy do przyjęcia w produkcji na dużą skalę.

Rosnące zapotrzebowanie na elastyczne obiekty w różnych zastosowaniach, takich jak samozwijające się opakowania, adaptacyjne turbiny wiatrowe itp. napędza pojawienie się druku 4D. Naukowcy wyprzedzają obecnie konwencjonalny druk 3D, który wytwarza struktury z jednego materiału, w celu opracowania struktury meta-materiałowej. Struktura meta-materiałowa jest generowana przez połączenie różnych materiałów, które zapewniają nakładające się odpowiedzi strukturalne, gdy są aktywowane przez bodźce zewnętrzne. Drukowanie różnych materiałów tworzy anizotropię materiału, która umożliwia obiektowi zmianę struktury poprzez zginanie, wydłużanie, skręcanie i pofałdowanie wzdłuż osi. Naukowcy pracują dalej nad rozszerzeniem tych zmian strukturalnych, aby stworzyć szafki, podnośniki, mikrorurki, miękkie roboty, zabawki, itp. Ta zdolność obiektów do przekształcania ich struktury w czasie poprzez wykorzystanie zachowania różnych materiałów jest określana mianem druku 4D.

Główne różnice pomiędzy drukiem 3D a drukiem 4D polegają na zastosowaniu materiałów do drukowania oraz urządzenia drukującego. Na rysunkach 1 i 2 przedstawionych poniżej wyjaśniono główne różnice między drukowaniem 3D i 4D.

Materiały i technologie druku 4D

Główne obszary badań

Ponieważ technologia druku 4D jest wciąż w fazie początkowej, materiały wykorzystywane w niej są minimalne. Oczekuje się jednak, że badania i postępy w dziedzinie druku 3D zapewnią nowe możliwości dla druku 4D. Podstawowe obszary badawcze, na których obecnie koncentruje się uwaga w odniesieniu do druku 4D, przedstawiono na Rysunku 3 poniżej.

Smart Material jest jednym z obszarów badawczych w druku 4D, w którym mechanizm deformacji różnych materiałów jest syntetyzowany zgodnie z ich reakcjami na różne bodźce zewnętrzne. Equipment Design zajmuje się opracowaniem zaawansowanej technologii drukarek, które mogą drukować wiele materiałów w sposób spójny. Obecnie badacze wykorzystują do druku 4D metody bezpośredniego utwardzania atramentowego, modelowania osadzania topionego, stereolitografii, bioprintingu wspomaganego laserem oraz selektywnego topienia laserowego. Badania nad modelowaniem matematycznym są niezbędne do zrozumienia struktur funkcjonalnych obiektów drukowanych w technologii 4D. Przewiduje ono proces deformacji (do przodu) i formowania (do tyłu) obiektu wywołany bodźcami.

Wybór materiałów

Materiały do druku 4D są klasyfikowane w oparciu o ich środowisko lub bodźce zewnętrzne, na które reagują. Obecne klasy materiałów inteligentnych dzielą się na poniższe kategorie:

Materiały termo responsywne

Materiały te działają w oparciu o mechanizm efektu pamięci kształtu (SME). Klasyfikuje się je jako stopy z pamięcią kształtu (SMA), polimery z pamięcią kształtu (SMP), hybrydy z pamięcią kształtu (SMH), ceramiki z pamięcią kształtu (SMC) i żele z pamięcią kształtu (SMG). Większość badaczy preferuje SMP, ponieważ na tych materiałach łatwo się drukuje. Tworzą się one i deformują, gdy ciepło lub energia termiczna jest stosowana jako bodziec.

Materiały reagujące na wilgoć

Materiały, które reagują w kontakcie z wodą lub wilgocią są klasyfikowane w tej kategorii. Takie materiały są szeroko preferowane przez badaczy, ponieważ woda jest dostępna w obfitości i może być wykorzystywana w szerokim zakresie zastosowań. Hydrożel jest jednym z inteligentnych materiałów, które należą do tej kategorii, ponieważ energicznie reaguje z wodą. Na przykład, hydrożele mogą zwiększyć swój rozmiar nawet o 200% swojej pierwotnej objętości, gdy wejdą w kontakt z wodą.

Materiały foto/elektro/magneto responsywne

Materiały te reagują ze światłem, prądem i polami magnetycznymi. Na przykład, gdy światłoczułe chromofory są wtopione w żele polimerowe w określonych miejscach, pęcznieją one absorbując światło, gdy są wystawione na działanie naturalnego światła. Podobnie, gdy prąd jest przyłożony do obiektu zawierającego etanol, wyparowuje on, zwiększając swoją objętość i rozszerzając ogólną matrycę. Nanocząstki magnetyczne są osadzane w wydrukowanym obiekcie, aby uzyskać magnetyczną kontrolę nad obiektem.

Zastosowania druku 4D

Pomysł zaprogramowanego inteligentnego obiektu (stworzonego przy użyciu inteligentnych materiałów) wydawałby się mieć kilka zastosowań w różnych branżach. Jednakże, będąc nowatorską technologią, większość zastosowań jest obecnie w fazie badań & rozwoju. Oczekuje się, że główne zastosowania końcowe technologii druku 4D pojawią się w opiece zdrowotnej, przemyśle motoryzacyjnym, lotniczym i konsumenckim. Oczekuje się jednak, że w niedalekiej przyszłości potencjał druku 4D wpłynie również na inne branże, takie jak elektronika, budownictwo, przemysł, itp.

Niektóre z obecnie prowadzonych badań w dziedzinie druku 4D przedstawiono na rysunku 5 poniżej.

Samonadmuchujący się materiał opracowany przez BMW we współpracy z MIT (jak pokazano w powyższej tabeli) wzbudził zainteresowanie wielu ekspertów. Materiał ten, wykonany z silikonu, nadmuchuje się pod wpływem impulsów powietrza, co może być przyszłością pneumatyki. Oprócz przykładów podanych powyżej, istnieje kilka innych badań & działań rozwojowych podejmowanych przez kluczowych graczy w branży druku 4D. Na przykład, niektóre z zastosowań w branży opieki zdrowotnej obejmują „Targeted Drug Delivery,” „Fabrication of Stents” dla minimalnej inwazji chirurgicznej, Rozwój Shape Changing „Splints,” itp. Rozwój „Soft Robotics” i „Hydrauliczne i pneumatyczne siłowniki” są niektóre z kluczowych zastosowań w tej dziedzinie przemysłu. Budowa samoregenerujących się dróg i mostów może być potencjalnym zastosowaniem w przemyśle budowlanym.

Następny rysunek 6 poniżej wyjaśnia możliwe ramy czasowe wpływu druku 4D na różne zastosowania w różnych gałęziach przemysłu.

Dojrzałość technologiczna druku 4D

Następny rysunek 7 poniżej przedstawia obecną fazę rozwoju technologicznego druku 4D. Będąc w fazie wyzwalania innowacji, technologia ta z pewnością wywołała wiele szumu, jednak osiągnięcie plateau produktywności zajmie ponad 10 lat.

Cykl szumu wskazuje również, że kilka postępów w druku 3D jest nadal w fazach wyzwalania innowacji i rozbudzania oczekiwań w cyklu życia. Sugeruje to, że druk 3D ma przed sobą długą drogę do przebycia, a druk 4D będący następcą druku 3D może być powolny w swoim rozwoju. Jednakże, nie jest obowiązkowe, aby postępy w druku 4D zawsze podążały za drukiem 3D. Poza możliwościami drukarki 3D (jej zdolność do drukowania wielu materiałów w sposób spójny oraz do drukowania na kilku osiach), inne obszary badawcze koncentrujące się na materiałach inteligentnych i modelowaniu matematycznym nie zależą w sposób jawny od druku 3D.

Wniosek – możliwości i wyzwania

We wszystkich branżach, takich jak opieka zdrowotna, elektronika, motoryzacja, przemysł lotniczy i obronny, urządzenia konsumenckie (moda i dobra trwałego użytku), tekstylia, budownictwo i maszyny przemysłowe, prowadzone są projekty badawczo-rozwojowe dotyczące druku 4D. Mimo że jest to nowa technologia, potencjalne możliwości oferowane przez druk 4D są ogromne i są uznawane przez wielu ekspertów w tej dziedzinie.

Rynek druku 4D zaczyna się tworzyć dzięki licznym działaniom badawczym i rozwojowym. Opinia na temat wzrostu rynku jest zróżnicowana wśród ekspertów. Optymistyczne spojrzenie na technologię sugeruje, że rynek będzie rósł w tempie CAGR około 33% (szacowany wzrost wielkości rynku z 35 mln USD w 2019 r. do 200 mln USD do 2025 r.). Jednakże, będąc nową technologią w początkowej fazie rozwoju, FutureBridge przewiduje, że rynek druku 4D będzie rósł w nieco wolniejszym tempie 20% do 2025 roku (patrz Exhibit 8).

Pomimo bycia obiecującą technologią, druk 4D musi pokonać kilka technologicznych przeszkód zanim zostanie powszechnie przyjęty. Niektóre z głównych wyzwań w branży drukarskiej obejmują brak możliwości zapewnienia struktur nośnych dla złożonych obiektów, brak drukarek wielomateriałowych, brak tanich drukarek i inteligentnych materiałów, powolny czas drukowania oraz ograniczoną niezawodność drukowanych obiektów w dłuższej perspektywie. Chociaż istnieją pewne postępy w technologii druku, takie jak 5-osiowe urządzenia drukujące, które mają wyeliminować problem budowania struktur podporowych dla skomplikowanych struktur wewnętrznych, nadal istnieją inne wyzwania.

Ponadto, wyzwania takie jak powolne i niedokładne uruchamianie, brak kontroli nad pośrednimi stanami deformacji oraz ograniczona dostępność materiałów są innymi przyczynami opóźnionego przyjęcia technologii druku 4D. Biorąc jednak pod uwagę zainteresowanie wykazane przez producentów oraz intensywność działań badawczo-rozwojowych w zakresie druku 4D, technologia ta może dokonać wykładniczego skoku w tempie szybszym niż przewidywane. Wreszcie, producenci, którzy chcą być na czele zmian i postępów technologicznych, powinni być na bieżąco z postępem technologicznym i potencjalnymi implikacjami druku 4D.

.