A 4D-nyomtatás lényege, hogy fizikai anyagok közvetlenül a nyomtatóról történő átprogramozásával, a nyomatok alakot váltanak, új szerkezetekké szerelik össze magukat. Változatos anyagtulajdonságok, például az alakváltoztatás a megtervezett darab – különböző – összes részecskéjébe programozható. Eltérő vízfelszívó (abszorbens) jellemzőkkel rendelkező anyagokkal dolgozva, már az anyagok puszta programozásával beindítható az ön-összeszerelő (self-assembling) folyamatot.
A 4D-nyomtatás rövid története
A koncepciót, még a 2010-es évek elején, Skylar Tibbits, az MIT (Massachusetts Institute of Technology) kutatója dolgozta ki. „Olyan, mint a vezeték és motor nélküli robotika. Kiprintelünk egy részt, ami aztán valami teljesen mássá alakul át” – nyilatkozta a technológiáról Tibbits. Ugorjunk közel egy évtizedet az időben!
Tavaly a kínai Tianjin Egyetem kutatói önmagát előre hajtó, azaz független mozgásra képes puha robotot (soft robot) fejlesztettek 4D-nyomtatással. Folyékony kristályos elasztomerből (elasztikus polimerből) készült, a benne lévő csőszerkezet hőhatásra összeszereli magát. Ügyesen programozott hajtogatási mintázatok révén, a kutatók feszültséget indukáltak a gép testében, lehetővé téve, hogy a robot farönkhöz hasonlóan guruljon.
A gép különleges képességekkel rendelkezik: síkfelületeken megy át, 20 fokos lejtőn felfelé is jól mozog, saját tömegének negyvenszeresét meghaladó terhet képes cipelni.
Két német felsőoktatási intézményben, a Stuttgarti és a Freiburg Egyetemen új módszert dolgoztak ki magunkon viselhető orvosi eszközök 4D-nyomtatására. Ezek az eszközök a páciens anatómiájának függvényében tudnak módosítani magukon.
Az élővilág, az invazív növényfajok közé tartozó jamszgyökér, a Dioscorea bulbifera terjedési mechanizmusa volt az inspirációs forrás: a nyomtatott rendszereket úgy programozták, hogy nedvesség hatására bonyolult mozgásokat kivitelezzen. A technikát önfeszülő csuklósín printelésére használták; az eszköz önmagától körbetekerte a páciens karját.
Nincs anyagveszteség
A Tokió Egyetemen a 2D-nyomtatást, az origami hajtogatást és a vegyészetet összekombináló új módszert találtak ki 3D-objektumok gyors és hulladék-anyag nélküli gyártására.
A 4D-nyomtatásként ismert technika legújabb változata a 3D-nyomtatástól eltérő gyártási megközelítést jelent. Több iparágban a korlátok meghaladását, új távlatok megnyitását hozhatja el. A rétegről rétegre történő, hosszabb ideig tartó és anyagveszteséggel járó hagyományos 3D-nyomtatással ellentétben, az egyedi tulajdonságokkal rendelkező anyagok meghatározott körülmények között komplex 3D-alakzatokká hajtogatják össze magukat, és az időt, az átalakulás kulcstényezőjét is jobban kihasználják.
A fejlesztést vezető Koya Narumi elmondta, hogy a hardver és az anyagok lehetőségeinek módosítása, finomítása jelentette számukra a legnagyobb kihívást. jól bejáratott próba-hiba (trial and error) módszerrel dolgoztak és mindegyik próbálkozás megérte, mert az ugyanebből az alapötletből kiinduló korábbi kutatásokhoz képest nagyon komoly mértében, nagyjából 1200-szorosára növelték a kimenet felbontását. Így pedig nemcsak kuriózumok és újdonságok hozhatók létre az új technikával, hanem a valóvilágban működő, praktikus alkalmazások is.
A jövőben olyan anyagokkal terveznek kísérletezni, mint az áramot vezető mágneses tinták. Fel is fedezhetnek ilyeneket, amelyek gépekbe és más eszközökbe integrálhatók.
Gondoljunk bele, 2D-rétegekkel készül a 4D-terv, mert a nyomtatott origami-lapok alapvetően laposak, különféle tinták sok rétegéből tevődnek össze a hőre zsugorodó központi lapanyag tetején és alatta. Az alapozó még természetes, nedves állapotukban is segíti a laphoz tapadásban a tintákat. A zsugorodásnak ellenálló fekete tinta teszi lehetővé az összeállást, míg egy fehér réteg üres „vásznat” biztosít a színes réteghez. Az utolsó, átlátszó réteg védi az összes lejjebb lévőt.
Mint az origami
A japán kutatók technikájának lényege egy, UV-reaktív anyagok kezelésére tervezett, speciális tintasugaras printer. Ezeknek a gépeknek magasak a költségei, viszont a Maker-közösségekben („csináld magad” alapon működő „barkácsoló” csoportok) és közösségi keretek között használható más workshopokban könnyen hozzájuk lehet férni.
A gép hőre zsugorodó műanyaglap mindkét oldalára nagy pontossággal alkalmaz 2D-origami tervet. A nyomtatási folyamatban használt tinta a későbbi zsugorításkor sem változik, így száradás után is megőrzi a rugalmasságát. A tinta részei közé, mindkét oldalán gondosan kialakított hézagokkal, pontosan szabályozható a lap hajtási iránya, hajtogatása.
Az önhajtogatást a lapos lap forró vízzel történő felmelegítése indítja el. A hő hatására az alaplap zsugorodik, és a zsugorodásnak ellenálló tinta válik főszereplővé az anyag összetett origamiszerű formákká rendeződésében. A hajtogatás spontán történik.
Narumi és munkatársai rájöttek, hogyan használhatnak könnyen beszerezhető eszközöket 4D-objektumok önhajtogatásához. Alapvetően lapos lapokat készítenek origami mintázatokkal. A mintázatok viszont annyira komplexek lehetnek, hogy képzett origami művészek órákig dolgozhatnak rajtuk. Az új technikának köszönhetően viszont csak forró vizet kell rájuk önteni, aztán nézhetjük, hogyan állnak össze másodpercek alatt összetett formákká.
Sok szakember elragadtatva nyilatkozott az újításról, változatos alkalmazásokban látnak benne komoly potenciált. A fenntarthatóság korában jelentős anyagveszteségekkel küszködő divatipar az egyik. Szállításnál szintén előnyös a technológia, mert a 4D-objektumok menet közben laposak maradnak, felbontásuk maximálisan megfelel a tárolási és logisztikai feltételeknek. Képzeljük el, hogy fontos orvosi műszereket lapos formában nyomtatunk, aztán a helyszínen, például a műtőben állnak össze működő 3D-objektumokká.
A technikát folyamatosan tesztelik, finomítják, megvalósítási forgatókönyveket vizsgálnak. A jövő a gyors és hulladékmentes gyártásé.
