Semplu de obiectiv de afaceri nr. 1
Introducere
Imprimare 4D – Definiție
Introducerea celei de-a patra dimensiuni în tehnologia de imprimare 3D este denumită „imprimare 4D”. Cu această nouă dimensiune, obiectele imprimate 3D posedă capacitatea de a-și schimba forma de la sine sub influența unor stimuli externi, cum ar fi lumina, căldura, electricitatea, câmpul magnetic etc. Prin integrarea dimensiunii timpului, obiectele tipărite își schimbă forma în mod dinamic, în funcție de nevoile și cerințele situației, fără părți electromecanice sau părți mobile. Acest fenomen de schimbare a formei obiectelor imprimate 3D se bazează pe capacitatea materialului de a se transforma în timp ca răspuns la stimuli specifici și nu necesită intervenția umană pentru a ajuta procesul.
Emergența imprimării 4D din imprimarea 3D
Imprimarea 3D, o tehnică de fabricație aditivă, este considerată una dintre cele mai disruptive inovații din domeniul producției moderne. Aceasta a transformat complet modul în care sunt fabricate piese/componente și echipamente în industrie, împreună cu proiectarea și dezvoltarea acestora. Imprimarea 3D permite producătorilor și cercetătorilor să dezvolte forme și structuri complexe, care anterior erau considerate imposibile cu metodele tradiționale de fabricație. Tehnologia de imprimare 3D a fost martora unor progrese continue în ultimele 3 decenii și a evoluat drastic. În ciuda capacității sale de a crea modele complexe, bio-inspirate și multimateriale, imprimarea 3D nu este încă pregătită pentru a fi adoptată în producția pe scară largă.
Nevoia tot mai mare de obiecte flexibile în diverse aplicații, cum ar fi ambalajele care se pliază singure, turbinele eoliene adaptive etc., a alimentat apariția imprimării 4D. Cercetătorii privesc în prezent înainte de imprimarea 3D convențională, care fabrică structuri dintr-un singur material, pentru a dezvolta o structură meta-materială. Structura meta-materială este generată prin combinarea unor materiale diferite care oferă răspunsuri structurale suprapuse atunci când sunt activate de stimuli externi. Imprimarea congruentă a diferitelor materiale va forma anizotropie materială, ceea ce permite obiectului să își schimbe structura prin îndoire, alungire, răsucire și ondulare de-a lungul axelor sale. Cercetătorii lucrează în continuare la extinderea acestor modificări structurale pentru a crea dulapuri, dispozitive de ridicare, microtuburi, roboți moi, jucării etc. Această capacitate a obiectelor de a-și transforma structura în timp prin utilizarea comportamentului diferitelor materiale este denumită imprimare 4D.
Diferențele majore dintre imprimarea 3D și imprimarea 4D sunt reprezentate de utilizarea materialelor care urmează să fie imprimate și de instalația de imprimare. Anexele 1 și 2 reprezentate mai jos explică diferențele majore dintre imprimarea 3D și imprimarea 4D.
Materiale și tehnologii de imprimare 4D
Majore domenii de cercetare
Ca urmare a faptului că tehnologia de imprimare 4D este încă în stadiu incipient, materialele utilizate pentru aceasta sunt minime. Cu toate acestea, se așteaptă ca cercetarea și progresul în domeniul imprimării 3D să ofere noi oportunități pentru imprimarea 4D. Domeniile primare de cercetare pe care se concentrează în prezent în ceea ce privește imprimarea 4D sunt ilustrate în figura 3 de mai jos.
Materialul inteligent este unul dintre domeniile de cercetare foarte concentrat în imprimarea 4D, în care mecanismul de deformare a diferitelor materiale este sintetizat în funcție de răspunsurile lor la diverși stimuli externi. Proiectarea echipamentelor se ocupă de dezvoltarea unei tehnologii avansate de imprimare, care poate imprima mai multe materiale în mod congruent. În prezent, cercetătorii utilizează metode de polimerizare directă cu jet de cerneală, modelare prin depunere fuzionată, stereolitografie, bioimprimare asistată cu laser și topire selectivă cu laser pentru imprimarea 4D. Cercetarea privind modelarea matematică este esențială pentru înțelegerea structurilor funcționale ale obiectelor imprimate 4D. Ea prezice procesul de deformare (înainte) și de formare (înapoi) a unui obiect declanșat de stimuli.
Selecția materialelor
Materialele pentru imprimarea 4D sunt clasificate în funcție de mediul lor sau de stimulii externi cu care reacționează. Clasele actuale de materiale inteligente sunt clasificate în prezent în categoriile de mai jos:
Materiale termoresponsive
Aceste materiale funcționează pe baza mecanismului efectului de memorie a formei (SME). Ele sunt clasificate în aliaje cu memorie de formă (SMA), polimeri cu memorie de formă (SMP), hibrizi cu memorie de formă (SMH), ceramică cu memorie de formă (SMC) și geluri cu memorie de formă (SMG). Majoritatea cercetătorilor preferă SMP, deoarece este ușor de imprimat pe aceste materiale. Ele se formează și se deformează atunci când căldura sau energia termică este aplicată ca stimulent.
Materiale sensibile la umiditate
Materialele care reacționează la contactul cu apa sau umiditatea sunt clasificate în această categorie. Astfel de materiale sunt preferate pe scară largă de către cercetători, deoarece apa este disponibilă din abundență și poate fi utilizată într-o gamă largă de aplicații. Hidrogelul este unul dintre materialele inteligente care se încadrează în această categorie, deoarece reacționează viguros cu apa. De exemplu, hidrogelurile își pot mări dimensiunea cu până la 200% din volumul său inițial, atunci când intră în contact cu apa.
Materiale foto/electro/magneto-reactive
Aceste materiale reacționează la lumină, curent și câmpuri magnetice. De exemplu, atunci când cromoforii fotosensibili sunt infuzați în geluri de polimeri în locuri specifice, aceștia se umflă absorbind lumina atunci când sunt expuși la lumina naturală. În mod similar, atunci când se aplică curent la un obiect care conține etanol, acesta se evaporă, mărindu-i astfel volumul și extinzând matricea generală. Nanoparticulele magnetice sunt încorporate în obiectul imprimat pentru a obține controlul magnetic al obiectului.
Aplicații ale imprimării 4D
Ideea obiectului inteligent pre-programat (creat cu ajutorul materialelor inteligente) ar părea să aibă mai multe aplicații în diverse industrii. Cu toate acestea, fiind o tehnologie nouă, majoritatea aplicațiilor sunt în prezent în faza de cercetare & dezvoltare. Se preconizează că principalele aplicații finale ale tehnologiei de imprimare 4D vor apărea în domeniul sănătății, al industriei auto, aerospațiale și de consum. Cu toate acestea, se așteaptă ca potențialul imprimării 4D să aibă un impact și asupra altor industrii, cum ar fi cea electronică, a construcțiilor, industrială etc., în viitorul apropiat.
Câteva dintre cercetările actuale în domeniul imprimării 4D sunt ilustrate în Tabelul 5 de mai jos.
Materialul autoinflabil dezvoltat de BMW, în colaborare cu MIT (așa cum se arată în tabelul de mai sus) a stârnit interesul mai multor experți. Materialul, realizat din silicon se umflă atunci când este declanșat de impulsuri de aer, ar putea fi viitorul pneumaticii. În afară de exemplele prezentate mai sus, există mai multe alte activități de cercetare & dezvoltare întreprinse de actorii cheie din industria imprimării 4D. De exemplu, unele dintre aplicațiile din industria medicală includ „eliberarea de medicamente cu țintă precisă”, „fabricarea de stenturi” pentru o invazie chirurgicală minimă, dezvoltarea de „atele” cu schimbare de formă etc. Dezvoltarea de „Soft Robotics” și „Acționări hidraulice și pneumatice” sunt unele dintre aplicațiile cheie în acest domeniu industrial. Construcția de drumuri și poduri cu autovindecare ar putea fi aplicații potențiale în industria construcțiilor.
Contraexemplul 6 de mai jos explică posibila cronologie a impactului imprimării 4D asupra diferitelor aplicații din diferite industrii.
Maturitatea tehnologică a imprimării 4D
Contraexemplul 7 de mai jos prezintă faza actuală a evoluțiilor tehnologice în domeniul imprimării 4D. Fiind în faza de declanșare a inovației, tehnologia a creat cu siguranță mult hype; cu toate acestea, va fi nevoie de mai mult de 10 ani pentru a atinge platoul de productivitate.
Ciclul de hype evidențiază, de asemenea, că mai multe progrese în imprimarea 3D se află încă în fazele de declanșare a inovației și de așteptări exagerate ale ciclului de viață. Acest lucru implică faptul că imprimarea 3D mai are un drum lung de parcurs, iar imprimarea 4D, fiind succesorul imprimării 3D, ar putea progresa lent. Cu toate acestea, nu este obligatoriu ca progresele în imprimarea 4D să urmeze întotdeauna imprimarea 3D. În afară de capacitățile unei imprimante 3D (capacitatea sa de a imprima mai multe materiale în mod congruent și de a imprima pe mai multe axe), alte domenii de cercetare care se concentrează pe materiale inteligente și pe modelarea matematică nu depind în mod evident de imprimarea 3D.
Concluzie – Oportunități și provocări
Câteva proiecte de cercetare și dezvoltare specifice imprimării 4D sunt în curs de desfășurare în industrii, cum ar fi sănătatea, electronica, automobilele, industria aerospațială și de apărare, aparatele de consum (modă și bunuri de consum durabil), textilele, construcțiile și mașinile industriale. În ciuda faptului că este o tehnologie nouă, oportunitățile potențiale prezentate de imprimarea 4D sunt vaste și sunt recunoscute de mai mulți experți în domeniu.
Piața pentru imprimarea 4D începe să se stabilească, datorită numeroaselor activități de cercetare și dezvoltare. Opinia privind creșterea pieței este variată în rândul experților. Părerea optimistă cu privire la această tehnologie sugerează că piața ar crește cu un CAGR de aproximativ 33% (o creștere estimată a dimensiunii pieței de la 35 milioane USD în 2019 la 200 milioane USD până în 2025). Cu toate acestea, fiind o tehnologie nouă, aflată în fază incipientă, FutureBridge preconizează că piața imprimării 4D ar crește cu o rată ușor mai lentă de 20% până în 2025 (consultați Proba 8).
În ciuda faptului că este o tehnologie promițătoare, imprimarea 4D trebuie să depășească mai multe obstacole tehnologice înainte de a fi adoptată pe scară largă. Unele dintre provocările majore din industria imprimării includ lipsa capacității de a oferi structuri de suport pentru obiecte complexe, lipsa imprimantelor multi-materiale, lipsa imprimantelor cu costuri reduse și a materialelor inteligente, timpii de imprimare lenți și fiabilitatea limitată a obiectelor imprimate pe termen lung. Deși există anumite progrese în tehnologia de tipărire, cum ar fi echipamentele de tipărire pe 5 axe, care se așteaptă să elimine problema construirii structurilor de susținere pentru structuri interne complicate, rămân încă alte provocări.
În plus, provocări precum acționarea lentă și inexactă, lipsa controlului asupra stărilor intermediare de deformare și disponibilitatea limitată a materialelor sunt alte motive pentru adoptarea întârziată a tehnologiei de tipărire 4D. Cu toate acestea, având în vedere interesul manifestat de producători și nivelul ridicat de intensitate al activităților de cercetare și dezvoltare în ceea ce privește imprimarea 4D, tehnologia ar putea face un salt exponențial într-un ritm mai rapid decât cel preconizat. În cele din urmă, producătorii care doresc să fie în prima linie a schimbărilor și progreselor tehnologice ar trebui să fie la curent cu progresele tehnologice și implicațiile potențiale ale imprimării 4D.
.