4D-printimine

Neljamõõtmeline printimine ehk 4D-printimine on protsess, mille kaudu 3D-prinditud objekt muudab end teiseks struktuuriks välise energiasisendi kui temperatuuri, valguse või muude keskkonnast tingitud tegurite mõjul. Seetõttu on ta programmeeritav aine. Seda on võimalik teha peaaegu lõpmatutest konfiguratsioonidest mikromeetri eraldusvõimega, luues tahkeid aineid molekulaarsete ruumiliste jaotustega ja võimaldades enneolematut mitmeotstarbeliset jõudlust. See tehnoloogia on osa MIT (Self-assembly Lab) projektist. Selle projekti eesmärk on tehnoloogia ja disaini ühendamine üheks, et leiutada isekomplekteeritavad ja programmeeritavad materjalitehnoloogiaid, mille eesmärgiks on ümber kujundada ehitus, tootmine, toodete kokkupanek.

Kolmemõõtmeline printimine ehk 3D-printimine on eksisteerinud juba peaaegu 30 aastat. Selle kõrval välja töötatud uus tehnoloogia, 4D-printimine, käsitleb füüsilist toodet kui elulaadset üksust, mis on võimeline aja jooksul iseseisvalt vormi ja füüsikalisi omadusi muutma. See on arenev tootekujunduse ja teadusuuringute valdkond, mis on seotud materjalide skaala sarnaste kontseptsioonidega (programmeeritav aine ja neljamõõtmeline printimine), kuid tavaliselt kasutatakse andureid ja ajame, et reageerida keskkonna- ja inimoludele, muutes kuju, toote värv, iseloom ja muud füüsikalised omadused.

Printimistehnikad

Stereolitograafia on tehnoloogia, kus kasutatakse kihtide loomiseks ja kõvendamiseks fotopolümeersete vaikude fotokeemilisi protsesse. Erinevalt sulatatud sadestamise modelleerimisest, kus prinditud materjal kõveneb kohe kihtide moodustamiseks, põhineb 4D-printimine põhimõtteliselt stereolitograafial, kus enamasti kasutatakse kihiliste materjalide ravimiseks UV-valgust pärast printimisprotsessi lõppu. Anisotroopia on ülitähtis transformatsioonide suuna ja suuruse projekteerimisel antud tingimustes, paigutades mikromaterjalid nii, et valmisprinditud objektile oleks juba sisseehitatud suund.

Termoreaktiivsed polümeerid / hüdrogeelid

Poly(N-isopropylacrylamide) või lühendatult pNIPAM on tavaliselt kasutatav termotundlik materjal. PNIPAMi hüdrogeel muutub hüdrofiilseks ja paisub 32 °C-ni vesilahuses, mis on lahuse madal-kriitiline temperatuur. Temperatuur, mis ületab hüdrogeeli dehüdreerimist ja selle kokkutõmbumist, saavutades seeläbi kuju muundumise. PNIPAM-ist ja mõnest muust polümeerist, näiteks 4-hüdroksübutüülakrülaadist koosnevatel hüdrogeelidel on tugev pöörduvus, kus isegi pärast 10 kuju muutumise tsüklit ei esine kuju deformatsiooni. Shannon E. Bakarich jt lõi uut tüüpi 4D-trükivärvi, mis koosnes ioonilistest kovalentsetest põimhüdrogeelidest, millel on tavaliste topeltvõrgu hüdrogeelide struktuuriga sarnane struktuur. Esimene polümeerivõrk on ristseotud metallikatioonidega, teine ​​aga ristkootud kovalentsete sidemetega. Seejärel seotakse see hüdrogeel pNIPAM-võrguga kõvastamiseks ja termiliseks käivitamiseks. Laboratoorsetes testides näitas see geel kuju taastumist 41–49% võrra, kui temperatuur tõusis 20–60 °C-ni (68–140 °F) ja taastati seejärel 20 °C-ni. Sellest materjalist trükitud vedelikku reguleeriv nutiventiil(Pildil paremal) oli mõeldud kuuma vee puudutamisel sulgemiseks ja külma vee puudutamisel avanema. Ventiil jäi külmas vees edukalt avatuks ja vähendas kuuma vee voolukiirust 99%. See uut tüüpi 4D-trükitud hüdrogeel on mehaaniliselt vastupidavam kui teised termiliselt toimivad hüdrogeelid ning sel näib potentsiaali olevat sellistes rakendustes nagu isekomplekteeritavad struktuurid, meditsiinitehnika, pehme robootika ja sensoritehnoloogia.

Hüdroreaktiivsed polümeerid / hüdrogeelid

Traatvõrgu kuubiks transformeerimine kokkupuutel veega

Skylar Tibbits on MIT isekokkupanemis laboratooriumi direktor ja töötas koos Stratasys Materials Groupiga hüdrofiilsetest, mitteaktiivsetest ja jäikadest elementidest koosneva komposiit polümeeri. Nende kahe elemendi ainulaadsed omadused võimaldasid trükitud keti teatud osade vees paisumist kuni 150% võrra, samas kui jäigad elemendid seadsid transformeeritud ahela struktuuri ja nurga piiranguid. Meeskond tootis keti, mis kirjutaks vette paigutades sõna "MIT", ja teise ahela, mis muutuks samade tingimuste korral traatvõrgu kuubikuks (vt pilti).

Termoreaktiivsed fotopolümeerid

Lukustuv ja isevoltiv SMP jäljendab USPS-i postkasti voltimisprotseduuri.

Seda tüüpi polümeerset aktiveerimist võib kirjeldada kui foto põhjustatud relaksatsiooniks. See tehnoloogia kasutab ära temperatuuril põhinevat polümeeri painutamist. Andes materjali fokuseeritud ribadele intensiivset valgust saadakse soovitud materjali painutused. Need painduvad õmblused trükitakse pingeseisundis, kuid need ei deformeeru enne valgusega kokkupuudet. Aktiivne aine, mis kutsub esile materjali paindumise, kandub intensiivse valguse kaudu üle soojuse. Materjal ise on valmistatud keemilistest fotoreaktiivsetest polümeeridest. Need ühendid kasutavad amorfse, kovalentselt ristsidemetega polümeeri moodustamiseks polümeerisegu koos fotoalgatajaga. See materjal vormitakse lehtedeks ja koormatakse soovitud paindekortsuga risti. Seejärel lastakse materjal valguse kindla lainepikkusega kokku puutuda, niipea kui fotoalgataja tarbitakse, siis see polümeriseerib ülejäänud segu, kutsudes fotoalgatusega esile stressi lõõgastumise. Materjalikogust, millele paljastatakse valgust, saab kontrollida šabloonidega, et luua konkreetsed paindemustrid. Selle protsessi jaoks on võimalik käivitada ka mitu kordust, kasutades sama kordusmaterjali näidist erinevate laadimistingimustega või šabloonmaske iga korduse jaoks. Lõplik vorm sõltub iga korduse järjekorrast ja sellest tulenevast vormist.

Digitaalse kuju-mälu polümeerid

Kujundusmälu polümeerid (SMP – shape-memory polymers) suudavad teatud tingimustes, näiteks teatud aja jooksul teatul temperatuuril viibides, taastada oma esialgse kuju deformeerunud kujust. Olenevalt polümeerist võib materjalil olla mitmesuguseid vorme, mida materjal võib kasutada mitmetes temperatuuritingimustes. Digitaalsed SMP-d kasutavad 3D-printimise tehnoloogiat, et täpselt kujundada erinevate omadustega - geomeetria ning segamise ja kõvenemise suhet. Yiqi Mao meeskond (Hunani ülikoolist) kasutas seda digitaalsete SMP-hingede seeria loomiseks, millel on erinevad ettekirjutatud termomehaanilised ja vormimälu käitumisviisid, mis on omakorda põimitud jäikadele mitteaktiivsetele materjalidele. Seega suutis meeskond välja töötada isevoltiva näidise(vt pilti), mis oleks võimeline ennast iseseisvalt kokku voltima ja isegi ühendada lukustavalt, et luua tugevam struktuur. Üks projektidest sisaldab isepakitavat kasti, mis on modelleeritud Ameerika Ühendriikide Postiteenistuse postkasti järgi.

Rakendused

Biomeditsiin

Dr Lijie Grace Zhangi uurimisrühm George Washingtoni ülikoolist lõi uut tüüpi 4D-prinditava, fotokõveneva vedelvaigu. See vaik on valmistatud taastuvast sojaoaõli epoksüdeeritud akrülaatühendist, mis on samuti bioühilduv. See vaik on uus lisand 3D-prinditavate vaikude väikesesse grupeeringusse ja on üks väheseid, mis on ühilduv bioloogiliselt. Selle vaigu 3D-trükiga laserproovile sooritatud temperatuuri kõikumise katsed vahemikus –18 °C kuni 37 °C ja selle esialgne kuju oli täielikult taastunud. Selle materjali trükitud raamistikud osutusid edukaks aluseks inimese luuüdi mesenhümaalse tüviraku (hMSC) kasvule. Selle materjali vormimäluefekti ja biosobivuse tugevad omadused panevad teadlasi uskuma, et see edendab tugevalt biomeditsiiniliste tellingute arengut. See uurimisartikkel on üks esimesi, mis uurib taimeõlipolümeeride kasutamist vedelate vaikudena stereolitograafia tootmiseks biomeditsiinilistes rakendustes.

Leonid Ionovi (Bayreuthi Ülikool) uurimisrühm on välja töötanud uudse lähenemisviisi, et printida elusrakkudega kuju muutvat biosobivat / biolagunevat hüdrogeeli. Lähenemisviis võimaldab õõnsate isekeeratavate torude valmistamist enneolematu juhtimisega, nende läbimõõdu ja arhitektuuri üle kõrge eraldusvõimega. Lähenemise mitmekülgsust demonstreeritakse kahe biopolümeeri (alginaat ja hüaluroonhape) ja hiire luuüdi stroomarakkude kasutamisega. Trükkimis- ja järelprintimisparameetrite kasutamine võimaldab saavutada keskmise toru siseläbimõõdu kuni 20 μm, mida teiste olemasolevate bioprintimisviiside abil pole veel võimalik saavutada ja mis on võrreldav väikseimate veresoonte läbimõõtudega. Kavandatav 4D-bioprintimisprotsess ei avalda negatiivset mõju trükitud rakkude elujõulisusele ning isevolditud hüdrogeelipõhised torud toetavad rakkude ellujäämist vähemalt 7 päeva jooksul ilma rakkude elujõulisuse vähenemiseta. Sellest tulenevalt võimaldab esitatud 4D-bioprintimise strateegia valmistada dünaamiliselt ümberkonfigureeritavaid arhitektuure koos häälestatava funktsionaalsuse ja reageerimisvõimega, mida juhib sobivate materjalide ja rakkude valik.

Võimalikud rakendused tulevikus

Praegu on juba olemas osad tehnikad ja tehnoloogiad, kus oleks võimalik kasutada 4D-printimise tehnoloogiat. Võimalus arendada praeguseid 3D-prinditud detailid, mida saaks asendada efektiivsuse ja kasutusvõimaluste poolest 4D-prinditud detailidega.

Elektrilised ja magnetilised nutimaterjalid

Tänapäeval eksisteerivad elektritundlikud materjalid muudavad oma suurust ja kuju sõltuvalt välise elektrivälja intensiivsusest või suunast. Polüaniliin ja polüpürrool (PPy) on eriti head juhtivad materjalid ja neid saab elektrofotograafiaga kokkutõmbumiseks ja paisumiseks lisada tetrafluoroboraadiga. Nendest materjalidest valmistatud robot pandi 5 sekundi jooksul 3V elektrilise impulsi abil liikuma, põhjustades ühe jala pikenemist, eemaldades seejärel stiimuli 10 sekundiks, pannes teise jala edasi liikuma. Bioloogiliselt ühilduvate ja kõrgelt elektrijuhtivate süsiniknanotorude uuringud näitavad, et süsiniknanotorust ja vormimälu proovil valmistatud komposiidil on kõrgem elektrijuhtivus ja elektroaktiivse reageerimise kiirus kui kumbki proov eraldi. Magnetiliselt reageerivad ferrogeelid tõmbuvad kokku tugeva magnetvälja juuresolekul ja seetõttu on neil rakendusi ravimite ja rakkude kohaletoimetamisel. Süsiniknanotorude ja magnetiliselt reageerivate osakeste kombinatsioon on biotrükitud kasutamiseks rakkude kasvu ja adhesiooni soodustamiseks, säilitades siiski tugeva juhtivuse.

Rakujõud

Rakujõude nimetatakse raku tõmbejõududeks (CTF – Cell Traction Force). Rakud kasutavad tõmbejõude mitmesuguste ülesannete täitmiseks, sealhulgas raku kuju säilitamiseks, kudedes migreerumiseks, ECM-i ümberkorraldamiseks ja naaberrakkudega suhtlemiseks. See on võimalik aktiini polümerisatsiooni ja aktomüosiini vastastikmõjude tagajärjel rakus. Looduslikes protsessides reguleerib rakujõud haavade paranemist, angiogeneesi, metastaase ja põletikku. Takeuchi ettevõtte külvas rakud kahele mikroplaadile ja kui klaaskonstruktsioon eemaldati, ületasid rakud mikroplaadil oleva tühimiku ja algatasid seega isevoltimise. Meeskond suutis selle meetodiga luua anuma sarnaseid geomeetriaid ja isegi suure jõudlusega dodekaeedreid. Spekuleeritakse, et selle raku voltimistehnika kasutamine viib rakkutega koormatud struktuuri kujundamise ja printimiseni, mis võib pärast printimisprotsessi lõppu jäljendada nende mittesünteetilist olekut.

Iseparandatav torusüsteem

4D-printimise üks potentsiaalne rakendus reaalses maailmas oleks torustikud torustikest, mis muudavad dünaamiliselt läbimõõtu, reageerides voolukiirusele ja veenõudlusele. Torud, mis võivad pragunemise või purunemise korral ise automaatselt paraneda, kuna neil on võime keskkonna muutuste tõttu muutuda.

Riidemaailm

4D-printimine võib ka moemaailmas paljutki muuta. Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi teaduslaboris Self-Assembly Printing Lab uuritakse 4D-tehnoloogiate võimalikke rakendusi. Üks ideedest on see, et riietus võiks vastavalt ilmastikule või tegevusele muutuda. Näiteks võivad jalatsid oma jooksu alustades oma kuju muuta, et pakkuda kasutajale paremat mugavust ja vetruvust.

Kättesaadavus

Kõik need potentsiaalsed rakendused tunduvad tuleviku jaoks tõesti väga inspireerivad ja paljulubavad. Kõigi 3D-trükitud materjali omaduste kohta seni läbi viidud uuringutel on lisandite töötleval tööstusel palju pakkuda ja see aitab kindlasti kaasa selle kasvule. Isegi kui oleme 4D-printimise tehnoloogia alguses, ei saa me oodata, kuidas see mõjutab lisandite tootmise tulevikku, nagu ka 3D-printimine muutis traditsioonilist tootmist. 4D-printimine nõuab endiselt rohkem uurimis- ja arendustegevust ning see pole kõigile veel kättesaadav.