Sample Business Objective #1
Introduktion
4D-utskrift – definition
Införandet av den fjärde dimensionen i 3D-utskriftstekniken kallas ”4D-utskrift”. Med denna nya dimension har 3D-utskrivna föremål förmågan att ändra sin form av sig själva under påverkan av yttre stimuli, t.ex. ljus, värme, elektricitet, magnetfält osv. Genom att integrera tidsdimensionen ändrar de utskrivna föremålen sin form dynamiskt utifrån situationens behov och krav, utan några elektromekaniska delar eller rörliga delar. Detta formförändrande fenomen hos 3D-utskrivna föremål bygger på materialets förmåga att omvandlas över tiden som svar på specifika stimuli, och det krävs inget mänskligt ingripande för att hjälpa processen.
Emergence of 4D Printing from 3D Printing
3D-utskrift, en additiv tillverkningsteknik, anses vara en av de mest omvälvande innovationerna inom området för modern tillverkning. Den har helt förändrat det sätt på vilket delar/komponenter och utrustning tillverkas inom industrin, tillsammans med deras utformning och utveckling. 3D-utskrift gör det möjligt för tillverkare och forskare att utveckla komplexa former och strukturer som tidigare ansågs omöjliga med traditionella tillverkningsmetoder. 3D-utskriftstekniken har genomgått ständiga framsteg under de senaste tre decennierna och har utvecklats drastiskt. Trots dess förmåga att skapa komplexa, bioinspirerade, multimaterialkonstruktioner är 3D-utskrift ännu inte redo att användas i storskalig tillverkning.
Det ökande behovet av flexibla objekt i olika tillämpningar, t.ex. självvikande förpackningar, anpassningsbara vindkraftverk etc., har gett bränsle åt framväxten av 4D-utskrift. Forskare ser för närvarande framåt mot konventionell 3D-utskrift, som tillverkar strukturer av ett enda material, för att utveckla en metamaterialstruktur. Metamaterialstrukturen skapas genom att kombinera olika material som ger överlagrade strukturella reaktioner när de aktiveras av yttre stimuli. Den kongruenta utskriften av olika material bildar materialanisotropi, vilket gör det möjligt för objektet att förändra strukturen genom att böjas, förlängas, vridas och böjas längs sina axlar. Forskarna arbetar vidare med att utvidga dessa strukturella förändringar för att skapa skåp, lyftare, mikrorör, mjuka robotar, leksaker osv. Denna förmåga för objekt att omvandla sin struktur över tiden genom att använda beteendet hos olika material kallas 4D-utskrift.
De stora skillnaderna mellan 3D-utskrift och 4D-utskrift är användningen av de material som ska skrivas ut och utskriftsanläggningen. I bild 1 och 2 som visas nedan förklaras de stora skillnaderna mellan 3D- och 4D-utskrift.
Material och teknik för 4D-utskrift
Största forskningsområden
Då tekniken för 4D-utskrift fortfarande befinner sig i ett begynnande skede är de material som används för den minimala. Forskning och framsteg inom 3D-utskrift förväntas dock ge nya möjligheter för 4D-utskrift. De primära forskningsområden som för närvarande är i fokus med avseende på 4D-utskrift visas i bild 3 nedan.
Smart Material är ett av de mycket fokuserade forskningsområdena inom 4D-utskrift, där deformationsmekanismen för olika material syntetiseras enligt deras svar på olika externa stimuli. Utrustningsdesign handlar om att utveckla avancerad skrivarteknik som kan skriva ut flera material på ett kongruent sätt. För närvarande använder forskarna metoder för 4D-utskrift som direkt bläckstrålehärdning, modellering genom smältdeposition, stereolitografi, laserassisterad bioprinting och selektiv lasersmältning. Forskning om matematisk modellering är viktig för att förstå de funktionella strukturerna hos 4D-utskrivna objekt. Den förutsäger deformationen (framåt) och bildningen (bakåt) av ett objekt som utlöses av stimuli.
Materialval
Material för 4D-utskrift klassificeras utifrån sin miljö eller de externa stimuli som de reagerar på. De nuvarande klasserna av smarta material klassificeras för närvarande i nedanstående kategorier:
Thermo Responsive Materials
Dessa material fungerar enligt mekanismen för Shape Memory Effect (SME). De klassificeras i formminneslegeringar (SMA), formminnespolymerer (SMP), formminneshybrider (SMH), formminneskeramer (SMC) och formminnesgeler (SMG). De flesta forskare föredrar SMP eftersom det är lätt att skriva ut på dessa material. De formas och deformeras när värme eller värmeenergi appliceras som en stimulans.
Fuktighetskänsliga material
Material som reagerar när de kommer i kontakt med vatten eller fukt klassificeras under denna kategori. Sådana material föredras i stor utsträckning av forskare, eftersom vatten finns i överflöd och kan användas i många olika tillämpningar. Hydrogelen är ett av de smarta material som hör till denna kategori eftersom den reagerar kraftigt med vatten. Hydrogeler kan till exempel öka sin storlek med upp till 200 procent av sin ursprungliga volym när de kommer i kontakt med vatten.
Foto/Electro/Magneto Responsive Materials
Dessa material reagerar med ljus, ström och magnetfält. När till exempel fotoreaktiva kromoforer är infunderade i polymergeler på specifika ställen sväller de upp och absorberar ljus när de utsätts för naturligt ljus. På samma sätt, när ström appliceras på ett objekt som innehåller etanol, avdunstar det, vilket ökar dess volym och expanderar den totala matrisen. Magnetiska nanopartiklar bäddas in i det utskrivna objektet för att få magnetisk kontroll över objektet.
Användningar av 4D-utskrift
Tanken på det förprogrammerade intelligenta objektet (som skapas med hjälp av smarta material) verkar ha flera tillämpningar inom olika branscher. Eftersom det rör sig om en ny teknik befinner sig dock de flesta tillämpningar för närvarande i forsknings- & utvecklingsfasen. Större slutanvändningstillämpningar av 4D-utskriftsteknik förväntas komma från hälso- och sjukvården, fordonsindustrin, flygindustrin och konsumentindustrin. Potentialen hos 4D-utskrift förväntas dock påverka även andra branscher, såsom elektronik, konstruktion, industri etc. inom en nära framtid.
Några av de aktuella forskningarna inom området 4D-utskrift visas i bild 5 nedan.
Det självuppblåsbara materialet som utvecklats av BMW i samarbete med MIT (enligt tabellen ovan) har väckt intresse hos flera experter. Materialet, som är tillverkat av silikon och som blåser upp sig när det utlöses av luftpulser, kan vara framtiden för pneumatiken. Förutom de exempel som anges ovan finns det flera andra forsknings & utvecklingsaktiviteter som bedrivs av nyckelaktörer inom 4D-utskriftsindustrin. Några av tillämpningarna inom hälso- och sjukvårdsindustrin är t.ex. ”riktad läkemedelsleverans”, ”tillverkning av stentarter” för minimal kirurgisk invasion, utveckling av formförändrande ”skenor” osv. Utvecklingen av ”Soft Robotics” och ”Hydraulic and Pneumatic Actuators” är några av de viktigaste tillämpningarna inom detta industriområde. Byggandet av självläkande vägar och broar kan vara potentiella tillämpningar inom byggbranschen.
I följande bild 6 nedan förklaras den möjliga tidslinjen för 4D-utskriftens inverkan på olika tillämpningar inom olika branscher.
Teknisk mognad för 4D-utskrift
Bilaga 7 nedan visar den nuvarande fasen av den tekniska utvecklingen inom 4D-utskrift. Eftersom tekniken befinner sig i den innovationsutlösande fasen har den säkert skapat en hel del hype, men det kommer att ta mer än tio år att nå en produktivitetsplatå.
Hype-cykeln visar också att flera framsteg inom 3D-utskrift fortfarande befinner sig i den innovationsutlösande fasen och i fasen med uppblåsta förväntningar i livscykeln. Detta innebär att 3D-utskrift har en lång väg att gå, och att 4D-utskrift, som är 3D-utskriftens efterföljare, kan vara långsam i sin utveckling. Det är dock inte obligatoriskt att framsteg inom 4D-utskrift alltid ska följa 3D-utskrift. Bortsett från 3D-skrivarens kapacitet (dess förmåga att skriva ut flera material på ett kongruent sätt och att skriva ut på flera axlar) är andra forskningsområden som fokuserar på smarta material och matematisk modellering inte öppet beroende av 3D-utskrift.
Slutsats – möjligheter och utmaningar
En del forsknings- och utvecklingsprojekt som är specifika för 4D-utskrift pågår inom branscher som hälsovård, elektronik, fordonsindustrin, flyg- och rymdindustrin och försvarsindustrin, konsumentapparater (mode och varaktiga konsumtionsvaror), textilindustrin, byggbranschen och industrimaskiner. Trots att det är en ny teknik är de potentiella möjligheterna med 4D-utskrift stora och erkänns av flera experter på området.
Marknaden för 4D-utskrift börjar etablera sig tack vare ett stort antal forsknings- och utvecklingsaktiviteter. Uppfattningen om marknadens tillväxt varierar bland experterna. Den optimistiska synen på tekniken tyder på att marknaden skulle växa med en CAGR på cirka 33 % (en uppskattad ökning av marknadsstorleken från 35 miljoner US-dollar år 2019 till 200 miljoner US-dollar år 2025). Eftersom 4D-utskrift är en ny teknik i sin linda förutspår FutureBridge att marknaden för 4D-utskrift kommer att växa i en något långsammare takt på 20 % fram till 2025 (se bild 8).
Trots att 4D-utskrift är en lovande teknik måste den övervinna flera tekniska hinder innan den kan antas i stor skala. Några av de största utmaningarna inom utskriftsindustrin är bristen på förmåga att tillhandahålla stödstrukturer för komplexa objekt, bristen på skrivare med flera material, bristen på billiga skrivare och smarta material, långsamma utskriftstider och den begränsade tillförlitligheten hos de utskrivna objekten i det långa loppet. Även om det finns vissa framsteg inom utskriftstekniken, t.ex. 5-axlig utskriftsutrustning, som förväntas eliminera problemet med att bygga stödstrukturer för komplicerade inre strukturer, kvarstår fortfarande andra utmaningar.
För övrigt är utmaningar som långsam och oprecis aktivering, bristande kontroll över mellanliggande deformationstillstånd och begränsad materialtillgång andra orsaker till det försenade införandet av 4D-utskriftstekniken. Med tanke på det intresse som tillverkarna visat och den högintensiva nivån på forsknings- och utvecklingsverksamheten när det gäller 4D-utskrift kan tekniken dock göra ett exponentiellt språng i snabbare takt än den förutspådda takten. Slutligen bör tillverkare som vill ligga i framkant när det gäller tekniska förändringar och framsteg hålla sig ajour med de tekniska framstegen och de potentiella konsekvenserna av 4D-utskrift.