Vzorový podnikatelský záměr č. 1

Úvod

4D tisk – definice

Zavedení čtvrtého rozměru do technologie 3D tisku se označuje jako „4D tisk“. Díky tomuto novému rozměru disponují 3D tištěné objekty schopností samy měnit svůj tvar vlivem vnějších podnětů, jako je světlo, teplo, elektřina, magnetické pole atd. Díky integraci dimenze času mění tištěné objekty svůj tvar dynamicky na základě potřeb a požadavků dané situace, a to bez jakýchkoli elektromechanických součástí nebo pohyblivých dílů. Tento jev změny tvaru 3D tištěných objektů je založen na schopnosti materiálu transformovat se v čase v reakci na specifické podněty a nevyžaduje lidský zásah, který by tomuto procesu napomáhal.

Vznik 4D tisku z 3D tisku

3D tisk, aditivní výrobní technika, je považován za jednu z nejpřevratnějších inovací v oblasti moderní výroby. Zcela změnil způsob výroby dílů/součástek a zařízení v průmyslu spolu s jejich návrhem a vývojem. 3D tisk umožňuje výrobcům a výzkumníkům vyvíjet složité tvary a struktury, které byly dříve považovány za nemožné pomocí tradičních výrobních metod. Technologie 3D tisku zaznamenala v posledních třech desetiletích neustálý pokrok a prošla drastickým vývojem. Navzdory své schopnosti vytvářet složité, bioinspirované a vícemateriálové konstrukce není 3D tisk zatím připraven na přijetí ve velkovýrobě.

Rostoucí potřeba flexibilních objektů v různých aplikacích, jako jsou samoskládací obaly, adaptivní větrné turbíny atd. podpořila vznik 4D tisku. Vědci v současné době předbíhají konvenční 3D tisk, který vyrábí struktury z jednoho materiálu, a vyvíjejí metamateriálovou strukturu. Meta-materiálová struktura vzniká kombinací různých materiálů, které při aktivaci vnějšími podněty poskytují překrývající se strukturální reakce. Shodný tisk různých materiálů vytvoří materiálovou anizotropii, která umožní objektu měnit strukturu ohýbáním, prodlužováním, kroucením a vlněním podél svých os. Vědci dále pracují na rozšíření těchto strukturálních změn, aby mohli vytvářet skříňky, zvedáky, mikrotrubičky, měkké roboty, hračky atd. Tato schopnost objektů měnit svou strukturu v čase pomocí chování různých materiálů se označuje jako 4D tisk.

Hlavními rozdíly mezi 3D tiskem a 4D tiskem jsou použití materiálů, které se mají tisknout, a tiskové zařízení. Níže vyobrazené obrázky 1 a 2 vysvětlují hlavní rozdíly mezi 3D a 4D tiskem.

Materiály a technologie 4D tisku

Hlavní oblasti výzkumu

Jelikož je technologie 4D tisku stále v počáteční fázi, materiály pro ni používané jsou minimální. Očekává se však, že výzkum a pokrok v oblasti 3D tisku přinesou nové možnosti pro 4D tisk. Hlavní oblasti výzkumu, na které se v současné době zaměřuje pozornost s ohledem na 4D tisk, jsou znázorněny v následujícím obrázku 3.

Chytrý materiál je jednou z vysoce zaměřených oblastí výzkumu v oblasti 4D tisku, v níž se syntetizuje mechanismus deformace různých materiálů podle jejich reakcí na různé vnější podněty. Návrh zařízení se zabývá vývojem pokročilé technologie tiskáren, které mohou kongruentně tisknout více materiálů. V současné době výzkumníci používají pro 4D tisk metody přímého vytvrzování inkoustem, modelování pomocí tavené depozice, stereolitografie, laserem asistovaného bioprintingu a selektivního laserového tavení. Výzkum matematického modelování má zásadní význam pro pochopení funkčních struktur 4D tištěných objektů. Předpovídá deformační (dopředný) a formovací (zpětný) proces objektu vyvolaný podněty.

Výběr materiálů

Materiály pro 4D tisk jsou klasifikovány na základě prostředí nebo vnějších podnětů, na které reagují. Současné třídy inteligentních materiálů jsou v současné době rozděleny do následujících kategorií:

Termoresponzivní materiály

Tyto materiály pracují na mechanismu efektu tvarové paměti (SME). Dělí se na slitiny s tvarovou pamětí (SMA), polymery s tvarovou pamětí (SMP), hybridy s tvarovou pamětí (SMH), keramiku s tvarovou pamětí (SMC) a gely s tvarovou pamětí (SMG). Většina výzkumníků dává přednost SMP, protože na tyto materiály lze snadno tisknout. Tvarují se a deformují, když se na ně jako podnět aplikuje teplo nebo tepelná energie.

Materiály reagující na vlhkost

Do této kategorie se řadí materiály, které reagují při styku s vodou nebo vlhkostí. Takové materiály jsou široce preferovány výzkumníky, protože voda je k dispozici v hojném množství a lze ji využít v široké škále aplikací. Hydrogel je jedním z inteligentních materiálů, které spadají do této kategorie, protože intenzivně reaguje s vodou. Například hydrogely mohou při kontaktu s vodou zvětšit svůj objem až o 200 % svého původního objemu.

Foto/elektro/magneto citlivé materiály

Tyto materiály reagují na světlo, proud a magnetické pole. Například když jsou fotoreaktivní chromofory napuštěny polymerními gely na určitých místech, nabobtnají a absorbují světlo, když jsou vystaveny přirozenému světlu. Podobně když se na objekt obsahující etanol přivede proud, odpaří se, čímž zvětší svůj objem a rozšíří celkovou matrici. Do vytištěného objektu jsou vloženy magnetické nanočástice, které umožňují získat magnetickou kontrolu nad objektem.

Aplikace 4D tisku

Zdá se, že myšlenka předprogramovaného inteligentního objektu (vytvořeného pomocí inteligentních materiálů) má několik aplikací v různých odvětvích. Jelikož se však jedná o novou technologii, většina aplikací je v současné době ve fázi výzkumu &vývoje. Očekává se, že hlavní koncové aplikace technologie 4D tisku vzniknou ve zdravotnictví, automobilovém, leteckém a spotřebním průmyslu. Očekává se však, že potenciál 4D tisku bude mít v blízké budoucnosti dopad i na další průmyslová odvětví, jako je elektronika, stavebnictví, průmysl atd.

Některé ze současných výzkumů v oblasti 4D tisku jsou znázorněny na následujícím obrázku 5.

Samonafukovací materiál vyvinutý společností BMW ve spolupráci s MIT (jak je uvedeno ve výše uvedené tabulce) vzbudil zájem několika odborníků. Materiál vyrobený ze silikonu, který se nafoukne po spuštění vzduchovými impulsy, by mohl být budoucností pneumatiky. Kromě výše uvedených příkladů existuje několik dalších výzkumných & vývojových aktivit, které provádějí klíčoví hráči v odvětví 4D tisku. Například některé z aplikací ve zdravotnictví zahrnují „cílené dodávání léčiv“, „výrobu stentů“ pro minimální chirurgickou invazi, vývoj tvarových změn „dlah“ atd. Mezi klíčové aplikace v této průmyslové oblasti patří vývoj „měkké robotiky“ a „hydraulických a pneumatických akčních členů“. Potenciálními aplikacemi ve stavebnictví by mohla být výstavba samoregeneračních silnic a mostů.

Následující obrázek 6 níže vysvětluje možnou časovou osu dopadu 4D tisku na různé aplikace napříč průmyslovými odvětvími.

Technologická vyspělost 4D tisku

Následující obrázek 7 ukazuje současnou fázi technologického vývoje v oblasti 4D tisku. Vzhledem k tomu, že se tato technologie nachází ve fázi spouštěče inovací, vyvolala jistě velký humbuk, nicméně bude trvat více než 10 let, než se dostane na plošinu produktivity.

Cyklus humbuků také přesně ukazuje, že několik pokroků v oblasti 3D tisku se stále nachází ve fázi spouštěče inovací a nafouknutých očekávání životního cyklu. Z toho vyplývá, že 3D tisk má před sebou ještě dlouhou cestu a 4D tisk jakožto nástupce 3D tisku by mohl postupovat pomalu. Není však povinné, aby pokrok ve 4D tisku vždy následoval 3D tisk. Kromě schopností 3D tiskárny (její schopnost tisknout kongruentně více materiálů a tisknout v několika osách) nejsou další oblasti výzkumu zaměřené na inteligentní materiály a matematické modelování zjevně závislé na 3D tisku.

Závěr – příležitosti a výzvy

Několik výzkumných a vývojových projektů specifických pro 4D tisk probíhá v průmyslových odvětvích, jako je zdravotnictví, elektronika, automobilový průmysl, letectví a obrana, spotřební zařízení (móda a zboží dlouhodobé spotřeby), textil, stavebnictví a průmyslové stroje. Přestože se jedná o novou technologii, potenciální příležitosti, které 4D tisk představuje, jsou rozsáhlé a uznává je několik odborníků v této oblasti.

Trh s 4D tiskem se začíná vytvářet díky četným výzkumným a vývojovým aktivitám. Názory na růst trhu se mezi odborníky různí. Optimistický pohled na tuto technologii předpokládá, že trh poroste tempem přibližně 33 % (odhadovaný nárůst velikosti trhu z 35 milionů USD v roce 2019 na 200 milionů USD v roce 2025). Protože se však jedná o novou technologii v počátečním stádiu, společnost FutureBridge předpovídá, že trh s 4D tiskem poroste do roku 2025 o něco pomaleji, a to o 20 % (viz obrázek 8).

Přestože je 4D tisk slibnou technologií, musí překonat několik technologických překážek, než bude široce rozšířen. Mezi hlavní problémy tiskařského průmyslu patří nedostatečná schopnost poskytovat podpůrné struktury pro složité objekty, nedostatek tiskáren pro více materiálů, nedostatek levných tiskáren a inteligentních materiálů, pomalá doba tisku a omezená spolehlivost vytištěných objektů v dlouhodobém horizontu. Ačkoli existují určité pokroky v technologii tisku, například pětiosé tiskové zařízení, které by mělo odstranit problém s vytvářením podpůrných struktur pro složité vnitřní struktury, další problémy stále přetrvávají.

Dalšími důvody opožděného přijetí technologie 4D tisku jsou problémy, jako je pomalé a nepřesné ovládání, nedostatečná kontrola nad mezistavy deformace a omezená dostupnost materiálů. Nicméně vzhledem k zájmu, který výrobci projevují, a k vysoké intenzitě výzkumných a vývojových činností s ohledem na 4D tisk by tato technologie mohla udělat exponenciální skok rychlejším tempem, než se předpokládá. A konečně, výrobci, kteří chtějí být v čele technologických změn a pokroku, by měli být v obraze, pokud jde o technologický pokrok a potenciální důsledky 4D tisku.

.