Definícia 4D tlače
4D tlač, známa aj ako inteligentná alebo dynamická tlač, je špičková technológia umožňujúca vytvárať objekty, ktoré môžu časom meniť tvar alebo funkciu. Na rozdiel od tradičnej 3D tlače, ktorá jednoducho vytvára statický objekt, 4D tlač využíva materiály, ktoré reagujú na vonkajšie podnety, ako je teplota alebo vlhkosť, na transformáciu do nového tvaru. Táto technológia môže spôsobiť revolúciu v rôznych priemyselných odvetviach, od architektúry a stavebníctva až po módu a medicínu.
4D tlač je proces, prostredníctvom ktorého sa 3D vytlačený objekt transformuje na inú štruktúru vplyvom externej energie, ako je teplota, svetlo alebo iné podnety z vonkajšieho prostredia. Táto technológia sa prvýkrát objavila ako súčasť projektu MIT (Massachussets Institute of Technology) Self-assembly Lab, ktorý realizoval v spolupráci so spoločnosťami Stratasys a Autodesk. Cieľom tohto projektu bolo skombinovať technológiu a postup na vynájdenie technológie samomontáže a programovania nových typov materiálov, ktoré by zásadne zmenili konštrukciu, výrobu či montáž produktov.
Aký je rozdiel medzi 3D a 4D tlačou?
Je zrejmé, že 4D tlač má o jedno „D“ viac ako 3D tlač. 3D tlač je o opakovaní 2D štruktúry, vrstva po vrstve v tlačovej dráhe, zdola nahor, kým sa nevytvorí 3D objem. 4D tlač sa označuje ako 3D tlač, ktorá sa časom mení (obr. 1). Pridáva sa teda štvrtý rozmer: čas. Veľkým prelomom v oblasti 4D tlače oproti technológii 3D tlače je teda jej schopnosť časom meniť tvar.
4D tlačený objekt je vytlačený rovnako ako akýkoľvek 3D tlačený tvar. Rozdiel je v tom, že technológia 4D tlače využíva tzv. programovateľné a pokročilé materiály, ktoré sú schopné meniť tvar alebo svoju funkciu pôsobením tepla, svetla alebo iných vonkajších vplyvov, ako je to znázornené na obr. 2. Medzi tieto programovateľné a pokročilé materiály možno zaradiť napr. polyméry, hydrogély a zliatiny s tvarovou pamäťou či elastoméry z tekutých kryštálov. Takto môže neživý objekt časom zmeniť 3D tvar a správanie. Príkladom môže byť uchopovač, ktorý pôsobením vonkajšej teploty uchopí predmet a opäť ho pustí, keď sa teplota zmení (obr. 3).
Ako funguje 4D tlač?
Technológia 4D tlače využíva komerčné 3D tlačiarne, avšak vstupom je „inteligentný materiál“, ktorým môže byť hydrogél alebo polymér s tvarovou pamäťou. Inteligentné materiály vďaka svojim termomechanickým a ďalším materiálovým vlastnostiam získavajú atribúty zmeny tvaru a odlišujú sa od bežných 3D tlačových materiálov. Naproti tomu predmety vyrobené technológiou 3D tlače sú pevné a po vytlačení si zachovávajú svoju 3D podobu.
Jednotlivé fázy 4D tlače
1. Návrh
Proces sa začína vytvorením 3D modelu objektu, ktorý treba vytlačiť, pomocou CAD softvéru alebo iných nástrojov. Tento model sa potom používa na vedenie procesu tlače, ktorý zvyčajne zahŕňa vrstvenie materiálu v špecifickom vzore na vytvorenie objektu.
2. Tlač
Prostredníctvom 3D modelu sa objekt vytlačí pomocou špecializovaného 4D tlačového stroja, zvyčajne s použitím inteligentných materiálov, ktoré dokážu reagovať na špecifické vonkajšie podnety.
3. Stimulácia
Po vytlačení je objekt vystavený špecifickým vonkajším podnetom, ako sú zmeny teploty alebo vlhkosti, ktoré spúšťajú zmeny inteligentného materiálu, aby sa sami zostavili, transformovali alebo prispôsobili.
4. Transformácia
Objekt mení tvar alebo funkciu v reakcii na vonkajšie podnety a proces je dokončený.
5. Post-processing
Keď je objekt transformovaný a zmení sa tvar, je dodatočne spracovaný s ohľadom na ďalšie zjemnenie alebo zlepšenie jeho vlastností.
Vlastnosti 4D tlačených objektov
Zmena veľkosti
Jednou z najvýznamnejších výhod 4D tlače je jej schopnosť tlačiť objekty väčšie ako samotná tlačiareň (obr. 5). Použitím inteligentných materiálov, ktoré môžu meniť tvar, možno 4D tlačené objekty komprimovať do menšej podoby, čo umožňuje tlačiť objekty, ktoré sú príliš veľké na to, aby sa zmestili do tlačiarne v jednom kuse.
Nové materiály = nové vlastnosti
Ďalšou výhodou technológie 4D tlače je jej schopnosť využiť celý rad materiálov. Táto technológia má potenciál spôsobiť revolúciu vo svete materiálov, ako ho poznáme, s možnosťou využitia inteligentných materiálov, ktoré si zatiaľ nevieme predstaviť. Doteraz boli uskutočnené experimenty s použitím multimateriálových polymérov s tvarovou pamäťou, ktoré majú schopnosť „zapamätať si“ svoj tvar a transformovať sa do rôznych konfigurácií na základe podnetov z vonkajšieho prostredia. To otvára nové možnosti, najmä v zdravotníctve, kde možno použiť polyméry s tvarovou pamäťou na vytváranie produktov, ktoré menia tvar a v prípade potreby uvoľňujú liek.
Potenciál 4D technológie
Potenciál 4D technológie je významný a rôznorodý. V nasledujúcej časti uvádzame niekoľko príkladov využitia 4D tlače v rôznych odvetviach:
Architektúra a stavebníctvo
4D tlač by sa mohla použiť na vytvorenie samomontážnych štruktúr, ktoré sa dokážu prispôsobiť prostrediu, ako sú budovy, ktoré dokážu meniť svoju teplotu alebo spôsob vetrania s ohľadom na zmeny počasia.
Lekárstvo a zdravotná starostlivosť
4D tlačené implantáty a protetiky by mohli byť navrhnuté tak, aby menili tvar alebo funkciu v reakcii na potreby tela, ako je napríklad stent (rúročka, obvykle s mriežkovou štruktúrou, ktorú cievny chirurg zasunie do zúženej časti cievy a zabráni tak jej upchatiu), ktorý sa roztiahne tak, aby sa zmestil do pacientovej tepny (obr. 6), alebo sadra, ktorá sa dokáže prispôsobiť procesu hojenia zlomenej kosti (obr. 7). Lekári z Detskej nemocnice CS Mott na University of Michigan vyvinuli 4D vytlačenú dlahu dýchacích ciest pre dojčatá trpiace tracheobronchomaláciou, čo je stav, ktorý spôsobuje kolaps ich priedušiek. Dlahy, ktoré držia priedušnicu otvorenú, sa môžu automaticky zväčšovať.
Letecký a vesmírny priemysel
4D tlač by sa dala použiť na vytvorenie zložitých ľahkých častí, ktoré sa dokážu prispôsobiť meniacim sa podmienkam, ako sú vztlakové klapky prispôsobujúce sa rýchlosti a smeru vetra. Jet Propulsion Laboratory (JPL, USA) ako súčasť národnej agentúry pre letectvo a vesmír (NASA) vyvinulo flexibilnú kovovú tkaninu (obr. 9), ktorá by sa dala použiť na veľké antény, na ochranu kozmickej lode pred meteoritmi, v skafandroch astronautov alebo na zachytávanie objektov na povrchu inej planéty. Americká vesmírna agentúra tvrdí, že schopnosť naprogramovať nové funkcie inteligentného materiálu umožní zdanlivo nekonečné množstvo aplikácií.
Airbus spolupracuje s MIT na vývoji komponentu prívodu vzduchu vyrobeného z programovateľných uhlíkových vlákien, ktorý by sa automaticky prispôsoboval tak, aby reguloval prúdenie vzduchu používaného na chladenie leteckého motora. Takýto komponent by odstránil potrebu ťažkých mechanických riadiacich systémov a znížil by spotrebu paliva. Výrobca lietadla predpovedá, že 4D tlačené komponenty by mohli tvoriť základ ľahšieho a rýchlejšieho trupu.
Móda
4D tlač by sa dala použiť na vytvorenie oblečenia a doplnkov schopných prispôsobiť sa tvaru tela alebo prostrediu nositeľa, ako je napríklad bunda, ktorá sa dokáže prispôsobiť teplote, alebo topánka, ktorá môže zmeniť svoj tvar tak, aby sa prispôsobila nohe nositeľa.
Produktový dizajnér Christophe Guberan spolupracoval s MIT na vývoji samoprispôsobiteľnej topánky, ktorá by mohla zmeniť zložitý a prácny výrobný proces (obr. 10).
Robotika
4D tlač by sa mohla použiť na vytvorenie robotov, ktoré sa dokážu prispôsobiť svojmu prostrediu, napríklad robota, ktorý dokáže zmeniť svoj tvar, aby sa pohyboval v úzkych priestoroch, alebo robota schopného zmeniť svoju farbu, aby sa maskoval.
Výzvy využitia 4D tlače
Napriek mnohým výhodám a širokému spektru aplikácií v niekoľkých sektoroch 4D tlač stále čelí niekoľkým ťažkostiam, ktoré bránia jej širokému použitiu v priemyselnom meradle. Pretože väčšina SMM umožňuje iba jednosmerný tvarový posun, predstavuje to prekážku pri navrhovaní aktívnych štruktúr. Existujú však určité inteligentné materiály, ktoré dokážu tento problém vyriešiť. Použitie týchto materiálov v rekonfigurovateľných konštrukciách je však mimoriadne náročné vzhľadom na náročný výrobný proces a obmedzenú nosnosť.
Budúce postavenie 4D tlače v priemysle
V čase Priemyslu 4.0 má 4D tlač potenciál poskytnúť výrobnému priemyslu významnú konkurenčnú výhodu znížením potrebných montážnych dielov a zdrojov. Vďaka svojej biokompatibilite a vlastnostiam porovnateľným s prírodnými materiálmi ponúkajú inteligentné tlačové materiály značný prísľub v biomedicínskych aplikáciách, biosnímačoch, systémoch dodávania liekov a regenerácii tkanív. Vývoj nových materiálov, ako sú neinvazívne biomedicínske zariadenia, je rozsiahly. Nové kompozitné inteligentné materiály sú zaujímavým riešením v aplikáciách tkanivového inžinierstva. Okrem toho musia mať tlačiteľné materiály na opravu a regeneráciu tkaniva dostatočnú potlačiteľnosť, mechanickú a medzifázovú pevnosť a biokompatibilitu. Získanie vhodných tlačiteľných biomateriálov je však stále ťažké.
Hoci je 4D tlač ako technológia relatívne nová a vyžaduje čas a úsilie na úplné prijatie, má potenciál uplatniť sa v mnohých odvetviach. Inovatívne procesy 4D tlače môžu znížiť počet komponentov a následne aj čas montáže. 4D tlač možno použiť aj v sektore logistiky na zníženie výrobných a prepravných nákladov, čím sa zlepší systém globálneho dodávateľského reťazca. Okrem schopnosti samozostavovania a sebarozširovania je kľúčovým prvkom samooprava.
4D tlač môže byť ďalšou generáciou štíhlej výroby a už teraz sa hovorí aj o možnostiach, ktoré môže priniesť 5D a 6D tlač. 6D tlačená štruktúra môže byť silnejšia a efektívnejšia ako zodpovedajúca 4D tlačená štruktúra, môže byť vyrobená s použitím menšieho množstva materiálu, môže vykonávať pohyby na základe podnetov zo svojho okolia prostredníctvom interakčného mechanizmu a môže sa naučiť, ako sa vhodne prekonfigurovať na základe predpovedí prostredníctvom matematického modelovania a simulácií.
Literatúra
[1] Yang, S.: The Potential of 4D Printing: Revolutionizing Industries and Transforming the World. Medium. [online]. Publikované 1. 3. 2023.
[2] Vatanparasat, S. – Boschetto, A. – Bottini, L. – Gaudenzi, P.: New trends in 4D printing: A Critical Review. In: Applied Sciences 13, no. 13: 7744. [online].
[3] Wellers, D. – Rander, M.: How 4D Printing Will Shift the Shape of Manufacturing. SAP Insights. [online].
