Z integracijo bionike in tehnologije 4D tiskanja je mogoče doseči bistveni preskok proizvodnje od biološkega modela do bioničnih izdelkov, ki kažejo izjemno visoko vsestransko učinkovitost.
Uvedba četrte dimenzije v tehnologijo 3D-tiskanja se imenuje »4D tiskanje«. S to novo dimenzijo imajo 3D tiskani predmeti sposobnost, da sami spremenijo svojo obliko pod vplivom zunanjih dražljajev, kot so svetloba, toplota, elektrika, magnetno polje, vlaga, mehanski, kemični in drugi.
Z integriranjem dimenzije časa natisnjeni predmeti dinamično spreminjajo svojo obliko glede na potrebe in zahteve razmer, brez elektromehanskih delov ali gibljivih delov. Ta pojav 3D-tiskanih predmetov, ki spreminjajo obliko, temelji na sposobnosti materiala, da se sčasoma preoblikuje kot odziv na določene dražljaje in ne potrebuje človekovega posredovanja za pomoč v procesu.
Začenja pa se obdobje 4D tiskanja bioničnih in medicinskih naprav, z novimi pametnimi in tudi gelnimi materiali. Začenja se 4D tiskanje pogonov z mehko robotičnimi funkcijami, prav tako se začenja 4D tiskanje bioničnih zahtevnih, večplastnih kanalov, ki temeljijo na digitalni svetlobni obdelavi.
Procesi 4D tiskanja bodo medicini in še zlasti bioniki omogočili izdelavo zahtevnih časovno odvisnih struktur, razvoj protetike naslednje generacije, ter izdelavo ekstremno miniaturnih robotov za napredne medicinske aplikacije. Za učinkovito izdelavo novih naprav s procesom 4D tiskanja potrebujemo izjemno dober razvoj pametnih materialov, ki lahko spreminjajo lastnosti in značilnosti na podlagi sprememb v okolju. Spremembe bi lahko omogočile, da se materiali sami sestavijo, s čimer bi pospešili proizvodnjo in zmanjšali potrebe po delovni sili. Po poročanju tržne raziskave »Frost & Sullivan,« naj bi 4D tehnologija hitro narasla predvsem v zdravstvu, vesoljski, obrambni in avtomobilski industriji.
Izzivi za prihodnost
Trg zdravstvenega varstva bi v prihodnje lahko uporabil tehnologijo za tkivni inženiring, samosestavljanje biomaterialov in ustvarjanje nanorobotov za kemoterapijo in druge namene.
Za avtomobilsko industrijo lahko 4D tiskanje privede do premazov, ki se prilagodijo soncu, vetru in dežju. Letalskemu trgu bi lahko koristilo 4D tiskanje s samopopravljanjem določenih delov ali letal in tiskanih sončnih celic za napajanje satelitov.
Potencialne novosti v vojaškem in obrambnem sektorju vključujejo tekstil z maskirnimi sposobnostmi in samozdravljive materiale za mostove in ceste. Kratkoročno glavni izziv za 4D tiskanje zahtevnih naprav so visoki začetni stroški, delno zaradi tega, ker trenutno le nekaj podjetij razvija ustrezne tehnike, ki podpirajo kompleksne 4D tehnologije.
Po komercializaciji pa bi se morali stroški 4D tiskanja bistveno znižati. Dolgoročni 4D izdelki bodo morali izpolniti tudi stroge regulativne standarde in standarde zmogljivosti v različnih panogah, preden bodo postali masovno razširjeni.
Bionično načelo in integracija bionike ter 4D tiskanja
Z integracijo bionike in tehnologije 4D tiskanja je mogoče doseči bistveni preskok proizvodnje od biološkega modela do bioničnih izdelkov, ki kažejo izjemno visoko vsestransko učinkovitost.
Razvita raznolikost tehnologije 4D tiska vključuje: od homogenega materiala do bionične 4D tehnologije izdelave heterogenega materiala.
Nadalje od neurejenosti do urejene strukture materiala, nato od celotnega do diskretnega in od splošnega do prilagojenega materiala. In še od statičnega do dinamičnega materiala.
Hkrati je bil pred kratkim razvit biomimetični inteligentni 4D tiskarski material za uresničitev več načinov odziva, na temperaturo, vlago, magnetno polje, svetlobo in elektriko. Kot aplikacije teh materialov in 4D tiskanja bodo biomedicinske naprave, bionični roboti, bionična protetika, umetne mišice in drugo.
Z razvojem tehnologije tiskanja z več materiali je mogoče pričakovati razvoj bioimplantatov in mehkih, ter trdih hibridnih bioloških struktur.
Ko pa govorimo o pametnih materialih in biološko navdihnjenih materialih pa moramo razumeti predvsem njihovo povezavo s čutili.
Ljudje imamo pet čutil; vid, sluh, vonj, okus in dotik.
Kaj pa intuicija? Nekateri to že imenujejo šesti čut. S tehnološkim razvojem na področju bionike nastaja zdaj nova proizvodna tehnika že z dodano novo dimenzijo – šesti čut – izdelkom v vesoljskih in medicinskih aplikacijah.
Z razvojem pametnih materialov v procesih 4D tiskanja pa se pričakuje, da bo tudi v avtomatizirane procese »Industrije 5.0« prišla ta nova šesta čutna dimenzija. Dosedanje tehnologije 4D tiskanja so bile omejene na odzivnost predvsem enega dražljaja ali dveh. Razvoj pa se je usmeril v 4D tiskanje materialov, ki bodo lahko hkrati odreagirali na več različnih dražljajev, npr. svetlobo, mehansko ali kemično stimulacijo, vlago, temperaturo in drugo.
To se bo dosegalo z združevanjem in integracijo več pametnih materialov.
Kako deluje 4D tiskanje in kaj so pametni materiali?
Pametni materiali so eno od najbolj osredotočenih raziskovalnih področij v 4D tiskanju, kjer se mehanizem deformacije različnih materialov sintetizira glede na njihov odziv na različne zunanje dražljaje.
Podjetje Equipment Design se ukvarja z razvojem napredne tiskalniške tehnologije, ki lahko skladno kontinuirano tiska več materialov.
Trenutno raziskovalci uporabljajo 4D tiskanje z neposrednim brizganjem, modeliranjem zlitja, stereolitografijo, biotiskanjem s pomočjo laserja in selektivnimi metodami laserskega taljenja.
Raziskave matematičnega in bioničnega modeliranja so bistvene za razumevanje funkcionalnih struktur 4D tiskanih predmetov. Napoveduje proces deformacije (naprej) in tvorbe predmeta, (nazaj), ki ga sprožijo različni dražljaji.
Materiali za 4D tiskanje so razvrščeni glede na njihovo okolje ali zunanje dražljaje, s katerimi reagirajo.
Danes se za stimuliranje natisnjenega izdelka s 4D tehnologijo uporabljajo zunanji viri toplote, trend razvoja pa gre v smeri integracije vira toplote ali kakšne druge vrste stimulacije tudi v notranjost izdelka.
Veliko se obeta tudi od elektroaktivnih programirljivih materialih, ki bi se multi-oblikovno odzivali na električne dražljaje in bi imeli posebno mesto v medicinskih, bioničnih in robotskih aplikacijah.
Nov pristop programiranja 4D-tiskanja, omogoča tudi specifično vedenje preoblikovanja oblike v posameznem materialu z uravnavanjem parametrov tiskanja. Na izdelek lahko vpliva tudi hitrost prilagajanja tiskanja posameznih materialov, na primer, pri elastomerih (LCE) je mogoče precej natančno programirati obnašanje LCE pri spreminjanju oblike.
Če se lotimo 4D tiskanja, je treba razumeti, kako se bo material odzval na določen dražljaj. S pomočjo tega znanja o obnašanju materiala lahko inženirji oblikujejo objekt z različnimi strukturami materiala.
Na podlagi digitalne CAD zasnove se nato model 3D natisne v enem ali v večkompozitnem materialu. Ko je postopek tiskanja končan, bo vnaprej programirana geometrijska koda narekovala, kako naj se različna področja predmeta odzovejo na določen dražljaj. S tem pristopom lahko inženirji ustvarijo komponente, ki imajo vnaprej določene oblike ali se na določen način zložijo in odvijejo, če jih sproži določen dražljaj.
Za obdelavo programabilnih ali pametnih materialov je primernih več tehnologij 3D tiskanja: Stereolitografija (SLA), izdelava taljenih filamentov (FFF), Material Jetting, Selektivno lasersko taljenje (SLM). Nedavni napredek pri 4D tiskanju lahko v veliki meri pripišemo napredku tehnologije Jetting material, ki omogoča tiskanje več materialov.
Ta tehnologija deluje tako, da brizga kapljice materiala, kar omogoča natančen nadzor nad nanašanjem. Razvoj 4D tehnologij tiskanja je še vedno v precej začetni fazi, čeprav se je v zadnjih treh letih zgodil velik preskok naprej.
Tehnologije 4D so fascinantne in se iz medicinskih, vesoljskih aplikacij selijo na različna področja. 4D tiskanje ima danes velik učinek na področju biotiskanja.
Danes je klasična podoba 4D tiskanih predmetov povezana predvsem z metamateriali, to so materiali, ki spreminjajo svojo obliko ali druge fizikalne lastnosti, odvisno od okolja ali uporabe.
Pred kratkim so bili razviti »poljsko odzivni mehanski metamateriali«, ki se strdijo ob udaru z magnetnim poljem.
Medtem ko same snovi (napolnjene s feromagnetnimi nano delci) ni mogoče natisniti, jo lahko vbrizgamo v votle mrežne strukture in vpliv magnetnega polja te strukture strdi. Ko se sila magnetnega polja odstrani, se strukture vrnejo v sproščeno stanje.
S spreminjanjem moči magnetne sile pa se lahko spremeni togost predmetov, kar je izjemnega pomena za razvoj novih izdelkov. Razvoj aditivne proizvodnje je že danes izjemno hiter in 4D aditivna proizvodnja v prihodnosti bo pomenila še en velik korak naprej.
Ta napredek bodo prinesli predvsem časovno odvisni, programabilni, reverzibilni, inteligentni materiali, ki bodo temelj tiskanja novih 4D izdelkov.
4D biotiskanje
Štiridimenzionalni (4D) biotisk, je še bolj nov koncept in se je pojavil kot rešitev naslednje generacije tkivnega inženirstva, saj predstavlja možnost gradnje kompleksnih, funkcionalnih struktur.
4D biotisk je mogoče uporabiti za izdelavo dinamičnih bioloških arhitektur s 3D vzorci, ki bodo spremenile svoje oblike pod različnimi dražljaji z uporabo materialov, ki se odzivajo na dražljaje. Funkcionalna transformacija 4D tiskanih celičnih struktur zagotavlja potencial brez primere za inženiring kostnega tkiva. Lastnosti spomina oblike tiskanih struktur skrbijo za potrebo po personaliziranem popravilu kostnih napak.
Cilj razvoja 4D tehnologij tiskanja je združiti tehnologijo in dizajn, da bi izumili tehnologije samosestavljanja in programabilnih materialov, katerih cilj je prenoviti konstrukcijo, proizvodnjo, sestavljanje izdelkov in večjih konstrukcijskih zmogljivosti.
Danes se razvijajo tiskalniki za 4D, ki bodo omogočali večmaterialno tiskanje skozi dve ali več šobami in možnostjo, da se šobe v procesu tiskanja celo preoblikujejo.
Danes se za stimuliranje natisnjenega izdelka s 4D tehnologijo uporabljajo zunanji viri toplote, trend razvoja pa gre v smeri integracije vira toplote ali kakšne druge vrste stimulacije tudi v notranjost izdelka.
Veliko se obeta tudi od elektroaktivnih programirljivih materialih, ki bi se multi-oblikovno odzivali na električne dražljaje in bi imeli posebno mesto v medicinskih, bioničnih in robotskih aplikacijah.
Nov pristop programiranja 4D-tiskanja, omogoča tudi specifično vedenje preoblikovanja oblike v posameznem materialu z uravnavanjem parametrov tiskanja.
Na izdelek lahko vpliva tudi hitrost prilagajanja tiskanja posameznih materialov, pri elastomerih (LCE) je na primer mogoče precej natančno programirati obnašanje LCE pri spreminjanju oblike. V procesu 4D tiskanja postanejo vgrajeni senzorji in aktuatorji z vznemirljivimi funkcionalnostmi, kot so samozaznavanje delovanja, samozaznavanje položaja, samozaznavanje drže ali aktivno zaznavanje, to pa bo zelo obetavno za aplikacije v biomedicinskih napravah, bioničnih sistemih, interakciji človek-stroj, inteligentnih samozaščitnih napravah in humanoidnih robotih in drugo.
Janez Škrlec je bil dolgoletni član Sveta za znanost in tehnologijo RS in ustanovitelj Odbora za znanost in tehnologijo pri OZS. Ukvarja se z mehatroniko, elektroniko, bioniko in nanotehnologijo.
