A 4D nyomtatásnak nevezett új technológia egy negyedik dimenzióval egészíti ki a 3D nyomtatást, amely révén a 3D nyomtatással előállított objektumok idővel meg tudják változtatni az alakjukat és viselkedésüket. Ez többnyire valamilyen külső inger, például hő, fény, hőmérséklet emelkedés vagy csökkenés hatására következik be. A jelenleg kísérleti stádiumban lévő 4D nyomtatási módszernek kiemelkedő szerepet szánnak a kutatók a különböző konfigurációk gyors átalakításában, a termékek funkcióváltásában, az intelligens viselkedésre tanításban, az önösszeszerelésben, valamint az öngyógyítás területén.
A napokban megjelent új kutatási eredményeket összefoglaló tanulmány szerint a 4D nyomtatás segítségével leegyszerűsíthető a bonyolult alkatrészek tervezése és gyártása. Ez egyrészt lecsökkenti a szükséges alkatrészek mennyiségét, könnyebbé teszi az összeszerelést és lényegesen mérsékli a gyártási költségeket.
A kísérleti stádiumban lévő 4D nyomtatás vélhetően számos tekintetben fel fogja tudni váltani a 3D nyomtatási megoldásokat.
A Magyarországon is egyre szélesebb körben elterjedt 3D nyomtatás során digitális 3D modellek által vezérelt számítógép állítja elő rétegről rétegre az objektumokat. Óriási előnye ennek a technológiának, hogy automatikusan és hatékonyan tud működni az emberi felügyelet minimalizálása mellett. Ezáltal a projektek időtartama lényegesen lerövidülhet, akár napokra is. Emellett ez a megoldás rugalmasabb alkalmazkodást tesz lehetővé ívelt falak és tetők, valamint egyéb szabványosítatlan formák létrehozásában. A nagy geometriai szabadságnak köszönhetően a kifinomultabb tervek és szerkezetek könnyen megépíthetők és testreszabhatók. Szintén nem elhanyagolható tulajdonsága a technológiának, hogy a 3D nyomtatáshoz használt anyagok különleges tulajdonságokkal ruházhatók fel, mint például a nagy szakítószilárdság, a korrózióállóság, illetve a magas hőmérsékleti ellenállás. A szakirodalmi szerzők ezen túlmenően a 3D nyomtatás előnyei között szokták nevesíteni azt is, hogy az ilyen nyomtatás során felhasznált anyagok újrahasznosított, organikus és környezetbarát jellegűek, a szükséges anyagmennyiség pontosan megbecsülhető a felesleges pazarlás elkerülése és az anyagköltségek csökkentése érdekében.
A négydimenziós nyomtatás egy additív gyártási eljárás, amely lényegében a 3D nyomtatást intelligens (ingerre reagáló) anyagokkal kombinálja.
A kutatások azt bizonyítják, hogy a 4D nyomtatott objektumok önalakító képessége minimálisra csökkenti az emberi interakciót, az elektromos és mechanikai beállításokat, és lehetővé teszi az alakzatok irányított kialakítását, vagyis az önműködtetést, az önhajlítást, az önszerveződést, vagy éppen a külső ingerekre való önreagáló jellemzőket. Emellett a legfrissebb kutatások arra is rámutattak, hogy a 4D nyomtatott objektumok újrafelhasználhatósága lehetővé teszi a polimerek, ötvözetek és kompozitok körkörös gazdaságba történő visszavezetését az anyagfelhasználási arány akár 70%-kal történő minimalizálásával. Az alakmemória polimerek és kompozitjaik intenzíven fejlődnek az intelligens anyagok kutatásában. Ezek az intelligens anyagok képesek megtartani ideiglenes alakjukat, majd visszanyerni eredeti alakjukat, ha külső ingereknek, például hőnek, elektromosságnak, mágneses térnek, nedvességnek, kémiai ingereknek, mikrohullámnak vagy fénynek vannak kitéve.
A 4D nyomtatás legfontosabb előnye, hogy többféle anyagot és különböző hőre keményedő polimereket nyomtatnak egyszerre. A 4D technológia fejlődésével a nyomtatott alakmemória polimerek alkalmazásai is folyamatosan fejlődnek. Ez annak is köszönhető, hogy a 4D nyomtatás önműködő, önbehajtható funkcionalitása felgyorsíthatja a különböző prototípusok gyors elkészítését és egyúttal csökkentheti az anyagfelhasználást is. A kutatók ugyanakkor azt is kiemelik, hogy a 4D nyomtatási technológiák továbbfejlesztéséhez elengedhetetlen a nyomtatási módszerek fejlesztése, az intelligens anyagok elérhetőségének biztosítása, valamint az anyagok tulajdonságainak a nyomtatásra és az eszközök teljesítményére gyakorolt hatásának tudományos szempontú értékelése.
A hagyományos 3D nyomtatástól eltérően a 4D nyomtatáshoz az anyagoknak ingerekre reagálónak és deformálhatónak kell lenniük. Ahhoz, hogy ezek az anyagok reagálhassanak a környezeti ingerekre, nagyon specifikus tulajdonságokkal kell rendelkezniük. Emellett számos ismert és elérhető intelligens anyagot egyáltalán nem lehet 4D nyomtatási módszerekkel feldolgozni. Például egyes nyomtatási technikák, mint például fused deposition modeling módszer, magas feldolgozási hőmérsékletet igényelnek, amely befolyásolhatja a hőre érzékeny anyagok használatát. A legtöbb intelligens anyag ezen túlmenően általában csak egyféleképpen tud működésbe lépni, amelyet nagy mértékben meghatároznak a nyomtatási paraméterek.
Az intelligens anyagok fejlődése szintén jelentős ütemben zajlik, azonban jelenleg a legtöbb intelligens anyag ingerválasz-sebessége és alakváltozási pontossága egyelőre még nem felel meg a kereskedelmi követelményeknek.
Az kétségtelen, hogy a 4D nyomtatással kapcsolatos kutatások és szakirodalmi források megtöbbszöröződtek az elmúlt közel tíz évben és minden bizonnyal a tudomány az említett kihívásokra is hamarosan választ ad majd. Mindeközben megjelent a 4D nyomtatás mellett az 5D nyomtatási koncepció is, amelyet bonyolult és nehezen formálható termékek létrehozására használnak, főleg az autóiparban és az orvostudományban, elsősorban a létrehozható nagyobb szilárdság és az ívelt rétegek eléréséhez.
Forrás:
Anas, Saba – Khan, Mohd Yunus – Rafey, Mohammad – Faheem, Kashif: Concept of 5D printing technology and its applicability in the healthcare industry. In.: Materials Today: Proceedings, VL – 56, 1726 – 1732, 2022. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.10.391
RAFIEE, Mohammad; FARAHANI, Rouhollah D.; THERRIAULT, Daniel. Multi‐material 3D and 4D printing: a survey. Advanced Science, 2020, 7.12: 1902307.
PEI, Eujin; LOH, Giselle Hsiang; NAM, Seokwoo. Concepts and Terminologies in 4D Printing. Applied Sciences, 2020, 10.13: 4443.
PEI, Eujin; LOH, Giselle Hsiang. Technological considerations for 4D printing: an overview. Progress in Additive Manufacturing, 2018, 3.1: 95-107.
JOSHI, Siddharth, et al. 4D printing of materials for the future: Opportunities and challenges. Applied Materials Today, 2020, 18: 100490.
E.O. Cisneros-López, A.K. Pal, A.U. Rodriguez, F. Wu, M. Misra, D.F. Mielewski, A. Kiziltas, A.K. Mohanty: Recycled poly(lactic acid)–based 3D printed sustainable biocomposites: a comparative study with injection molding. Mater. Today Sustain., VOL 7–8, 2020, 1-12.
10.1016/j.mtsust.2019.100027
