Inovatori u 3D štampanju su uzeli u obzir i četvrtu dimenziju, vreme. Ove nedelje, istraživači sa Harvard Univerziteta najavili su razvoj nove, bio-inspirisane 4D metode štampanja za stvaranje objekata koji reaguju na okidače i stimulanse iz životne sredine slično kao biljke. Četvorodimenzionalno štampanje je intrigantan „izmišljeni“ metod koji je postao privlačan kada je istraživač Skylar Tibbits sa MIT-a pomogao u popularizaciji ovog termina u svom TED govoru 2013. godine. U svom najosnovnijem obliku, proces zahteva kombinaciju pametnog materijala i izvora energije za njegovo aktiviranje. Na primer, gomila materijala, poput koluta plastike može se transformisati u unapred određeni oblik, kao što je kocka, kada se plastika potopi u vodi ili zagreje.
Prateći Tibbitsa, istraživači sa institucija, uključujući Univerzitet u Koloradu Boulder (University of Colorado Boulder), Univerzitet za tehnologiju i dizajn u Singapuru (The Singapore University of Technology and Design) i sada Harvarda razvili su svoje pristupe 4D štampanju. Njihovo istraživanje je dokaz da je tehnologija koja je još uvek u početku u pomaku, iako se sporo ide ka njenoj komercijalnoj primeni, sa primetnim pomakom kod prirode njenog izlaza iz okvira, geometrijskih konstrukcija u tečne, organske forme.
Kako god bila intrigantna ideja integracije vremena u jednačinu za 3D štampanje ona može međutim biti i važna a naročito je ova tehnologija relevantna za današnje procese projektovanja i sl. U nastavku će biti opisane tri najperspektivnije metodologije 4D štampanja razvijene do danas i njihov uticaj na projektovanu sredinu.
Programabilni spojevi
Kao direktor Self-Assembly Lab na MIT-u, Tibbits je objavio radove i često držao predavanja na temu 4D štampanja. Njegov pristup je usmeren na izradu multi-materijalne štampe koja se obično sastoji od krutog, inertnog polimera i mekših aktivnih komponenti. Dva materijala su tako postavljena da stvaraju segmentirane strukture koje se transformišu kada voda ili neki drugi izvor energije aktiviraju komponente, obično su to hidrofilni polimeri. U nekim slučajevima ova komponenta može da se proširi do 150 odsto od svoje prvobitne veličine kada se aktivira. Štampana kao spoj između dve krute sekcije, ova komponenta može da se savije kada se aktivira i u kom pravcu će ići zavisi od samog dizajna. Na ovaj način 4D štampa je predvidive strukture sa strateškim, jednosmernim zavisnostima. „Geometrija“ može biti pravolinijska, kao i Tibbitsove samosklopive niti ili ravni, ali i njegove samosklopive površinske kocke. Druga varijanta, kao što su diskovi ili zarubjeni oktaedri, pokazuju različite „geometrije“ ali se i dalje oslanjaju na iste zajedničke principe.
Ukorenjen pokret
Metod Kolorado-Singapur grupe koncentriše se na proces toplotnog aktiviranja koji oblikuje polimere tako da aktivira materijale tokom celog štampanja, umesto Tibbitsovog binarnog modela krutih elemenata i aktiviranih zavisnosti. Tanke ploče su prožete staklastim memorijskim polimernim vlaknima da bi pojačali jednu elastomernu matricu. Željene aktivirane „geometrije“ su u funkciji štampanih paterna vlakana unutar meke kompozitne ploče, fenomena koji naučnici zovu „programirana pločica i pločasta arhitektura“. Drugim rečima, pločasta arhitektura (prikazana gore) se koristi da bi se ugradila inteligencija materijalu tokom štampe. Aktivirani materijali će takvom ugradnjom, istraživači se nadaju, stvoriti složene 3D „geometrije“ kao što su savijeni oblici, namotaji, uvijene trake i drugi oblici čije se neravnomerne krivine prostorno razlikuju.
Tečne forme
Istraživači sa Harvarda zaslužni su za treći pristup, gde su koristili hidrogel štampu. Istraživači – pozivajući se na Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering i John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences – su koristili kompozitni gel koji sadrži celulozna mikrovlakna - derivat drveta, poznat pod nazivom hidrogel-celulozno vlaknasto mastilo. Ovaj pristup je zasnovan na pokušaju da se oponašaju prirodne mikrostrukture u biljkama, posebno one koje dozvoljavaju promene oblika kao što su thermonasty (pokreću se kada reaguju na temperaturu) ili mimetičan polimorfizam (menjanje oblika da bi se sklopili listovi – da, biljke takođe praktikuju biomimikriju). Tim sa Harvarda je razvio i proučio precizna ponašanja u strateškim oblastima u hidrogel strukturama koje su slične mikrostrukturama tkiva cveća i biljaka. Vlakna celuloze unutar hidrogela su pažljivo usklađene, tako da su njihova krutost i usmereno bubrenje u direktnoj zavisnosti ili anizotropni. Anizotropija je poznato svojstvo celuloznih materijala, kao što je drvo, da se ponaša različito u zavisnosti od pomeranja. Većina modernih proizvoda su tretirani da smanje ili eliminišu anizotropiju (npr. šperploča), ali u ovom slučaju istraživači su tražili da se korsite osobine kao odgovarajući mehanizmi za podsticanje materijala da se savije u određenom pravcu. Kada se završi 4D štampanje, predmet nalik cvetu sa laticama, se potapa u vodu i latice se uvijaju u unapred određenom pravcu ka centralnom delu cveta.
Kao i tehnologija Kolorado-Singapur tima i Harvardski metod stvara uniformne oblasti vezane za promenu oblika materijala. Međutim, rezultiralo je u jednom bio-kompozitnom gelu koji podseća na prirodne organizme a u suprotnosti je sa sintetičkim hidbridom naftnog derivata. Harvardska verzija se takođe poziva na složene, maštovite forme u okviru štampanih obrazaca. „To omogućava projektovanje skoro svakog proizvoljnog, promenljivog oblika iz širokog spektra dostupnih materijala sa različitim svojstvima i potencijalnim primenama, uspostavljajući nove platforme za štampanje samosklopivih, dinamičnih mikro-malih struktura koje se mogu primeniti u širokom spektru industrijskih i medicinskih zahteva“, rekao je u saopštenju Donald Ingber, osnivač i direktor Wyss instituta (Wyss Institute).
Ideja o samosklopivosti je dugo bila povezana sa robotikom. Pre deset godina, „robotika je bila rešenje za programabilne stvari, i mislim da smo se vremenom svi prebacili na mnogo mekše, prilagodljivije, odgovornije verzije o tome šta je programabilna stvar zapravo“, rekao je Tibbits za magazin Research-Technology Management. Četvorodimenzionalno štampanje ipak vodi poreklo iz robotike, odnosno kada se misli na pokrete i samostalno ponašanje, ali koristi pametne materijale umesto mehaničkih delova, motora i baterija. Tri metodologije koje se spominju u ovom članku opisuju opštu putanju 4D štampanja od geometrijskih, uobličenih konstrukcija do mekih organiskih struktura. Oni takođe pokazuju da ne može biti mnogo različitih pristupa 4D štampanja jer se svi temelje na jednostavnim sastojcima pametnog materijala i izvora za aktivaciju.
Nekoliko proizvođača, predstavnika iz različitih industrija zainteresovani su za tehnologiju, to su proizvođač aviona Airbus, proizvođač kompozitnih materijala na bazi ugljenika Carbitex, i proizvođač automobila Briggs Automotive, prema istraživanju Research-Technology Managementa. Drugi potencijalni interesanti su iz blasti obuće, odeće, nameštaja, elektronike i građevinskog materijala. Dok 4D štampanje postaje tehnologija koja se rađa, shodno tome zahteva i više istraživanja i razvoja pre nego što bude spremna za komercijalnu upotrebu, a težnja za visokopodesivim, bio-receptivnim i elastično dizajniranim okruženjem počinje da dolazi u fokus.
