naar top
Menu
Logo Print

ZORGT 4D-PRINTEN VOOR (R)EVOLUTIE IN DE MAAKINDUSTRIE?

Objecten die na het printen van vorm kunnen veranderen

Heel wat verspanende bedrijven investeren in 3D-printen, als aanvulling op hun bestaande activiteiten. Additive manufacturing maakt het immers mogelijk om complexe vormen te printen. Maar wat als u nu te horen krijgt dat we inmiddels in staat zijn om programmeerbare objecten te maken, die onder invloed van bepaalde externe factoren van vorm kunnen veranderen? In de schaduw van de adoptie van 3D-printen in de industrie blijft 4D-printen zich verder ontwikkelen. Oude wijn in nieuwe zakken of is er wel degelijk sprake van een (r)evolutie? Een woordje uitleg en een stand van zaken.

4D-PRINTEN

4D-printen is een methode waarbij conventionele 3D-printtechnieken worden gebruikt om programmeerbare objecten te printen. Door gebruik te maken van materialen die, onder invloed van externe omstandigheden zoals licht of warmte, van vorm en/of samenstelling kunnen veranderen, worden deze objecten actief. De uiteindelijke vorm van het object verschilt vaak aanzienlijk van de geprinte vorm. De materiaalsubstanties die gebruikt worden bij het 4D-printen, bestaan uit beïnvloedbare polymeren. Deze reageren in zekere mate op externe stimuli en nemen zo een definitieve vorm aan. Denk bijvoorbeeld aan hydrogels, waarbij de materiaaluitbreiding en de uiteindelijke vorm van het geprinte onderdeel afhankelijk zijn van de mate van waterabsorptie.

EXTERNE STIMULI

Warmte

Onderzoekers van het Georgia Institute of Technology in de Verenigde Staten, de Technology en Design Universiteit van Singapore (SUTD) en de Xi'an Jiaotong Universiteit in China hebben een 4D-printtechniek ontwikkeld om programmeerbare voorwerpen te vervaardigen die een andere vorm aannemen onder invloed van warmte. Hierbij printen ze bepaalde lagen in polymeer met vormgeheugen en elastomeer samen op elkaar, waarbij elke vorm verschillend zal reageren op warmte. Op kamertemperatuur zijn de materialen composieten met zowel stijve als soepele elementen. Deze zijn zo geprogrammeerd dat ze voldoende spanning in het materiaal behouden.

Het team van onderzoekers maakt gebruik van computersimulaties om de componenten te ontwerpen, waar het stijve materiaal een bepaalde vorm en grootte heeft die moeten verhinderen dat na het printen in 3D de geprogrammeerde interne spanning van het soepele materiaal vrijkomt. Bij het verwarmen hiervan vermindert echter de stijfheid, waardoor het soepele materiaal zijn spanning vrijgeeft en het geprinte object een andere vorm aanneemt.

Als bewijs hebben de wetenschappers meerdere objecten geproduceerd die snel kunnen plooien of openvouwen wanneer men ze in warm water dompelt, zoals een bloem die haar kroonblaadjes doet krullen of een raster dat men kan uitplooien
tot acht keer de originele grootte.

Elektronisch sturen

Indrukwekkend, maar als objecten steeds opnieuw warmte en/of water nodig hebben als externe stimuli, blijven de toepassingsmogelijkheden in de praktijk te beperkt. Dat vonden ook de onderzoekers van de Saarland Universiteit in Duitsland die de Hotflex hebben ontwikkeld. Een printbare composietstructuur die kan plooien en waarvan de elementen kunnen vervormen na het printen op een volledig en perfect elektronisch gestuurde manier.

De composiet bestaat uit meerdere parallelle lagen. Een microsturing activeert een verwarmende laag in het midden van de structuur, waardoor het object vervormt en kneedbaar wordt. Het verhogen van de temperatuur gebeurt met een spiraalgeprinte elektrische weerstand. Daarnaast bevat het materiaal een laag biologisch afbreekbaar plastic (PCL), dat men kan vervormen, zodra het een temperatuur van 60 °C bereikt, en dat bovendien de aangenomen vorm behoudt na het afkoelen. De buitenste laag is een min of meer soepel plastic (ABS, PLA of TPE) dat zorgt voor stabiliteit en bescherming.

Volgens de onderzoekers kan de Hotflex ingezet worden voor heel wat vervormbare, geprinte statische voorwerpen, maar ook voor aanraaksensoren en gevoelige schermweergaven. Om dit aan te tonen, hebben ze een regelbare armband gemaakt, een juwelendoos met aanraaksluiting en een ergonomische computermuis.

Levende polymerisatie en blauw ledlicht

Het Massachusetts Institute of Technology (MIT) uit de Verenigde Staten heeft inmiddels zelfs een techniek ontwikkeld die het mogelijk maakt om tussen te komen in de polymerisatie van een geprint object om zo de vorm, grootte of kleur ervan te wijzigen zelfs na het printen. Dit is het zogenaamde 'levend polymerisatieprincipe'. De polymeren blijven actief en kunnen reageren op externe stimuli in de vorm van een blauw ledlicht. De polymeren bevatten chemische trithio-carbonaatgroepen (TTC's), waarop nieuwe monomeren zich inwerken onder invloed van de blootstelling aan de katalysatoren van dit licht. Concreet zorgt dit voor een verlenging van de moleculaire ketens, waardoor de structuur uitrekt zoals een accordeon. Aangezien de monomeren gelijkmatig gespreid liggen in de structuur, worden de eigenschappen van het materiaal chemisch en mechanisch gewijzigd, wat maakt dat het object beweegt.

De onderzoekers zijn erin geslaagd de hardheid van een object te kunnen wijzigen, net zoals de hydrofobe eigenschappen ervan. Door gebruik te maken van een  warmtegevoelig monomeer, hebben ze het object doen zwellen of krimpen.

In de praktijk is deze techniek nog heel complex. Het is bijvoorbeeld nodig dat de fotoredoxkatalyse plaatsvindt in een zuurstofvrije omgeving, enkel mogelijk in laboratoria. De wetenschappers zijn verder op zoek naar andere katalysatoren die het gebruik in de praktijk mogelijk kunnen maken. Het doel van een dergelijk onderzoek is te komen tot de productie van prototypes die men mogelijk kan wijzigen, zonder ze opnieuw te moeten printen.

“4D-printing is bijzonder interessant, maar nog niet voor morgen wat industriele toepassingen betreft"

IN DE PRAKTIJK

De mogelijkheden van 4D-printen zijn eindeloos en de eerste praktische applicaties zijn inmiddels aanwezig op de markt. Deze zijn echter vooral gericht op speciale en gepersonaliseerde toepassingen, zoals structuren in de ruimtevaart en specifieke stents voor bepaalde patiënten. In de luchtvaartindustrie en de medische sector worden al geregeld beïnvloedbare materialen met een geheugen toegepast. Nochtans, 4D-printen zou ook een functionaliteit kunnen toevoegen aan producten in een industriële omgeving.

Denk bijvoorbeeld aan het vlak of opgerold stapelen van een voorwerp, om het vervolgens voor gebruik open te vouwen. Of slimme actuatoren, intelligente structuren en zelf-assemblerende onderdelen in een productieomgeving.

Elk product dat vandaag met conventionele productietechnieken wordt gemaakt, kan tot de eerste golf van toekomstige toepassingen behoren. 4D-printen luidt een nieuw tijdperk in van slimme producten, die op elke markt en in elke sector een toepassing heeft. Voor een bredere toepassing van de technieken in industriële toepassingen is echter nog meer kwalificatie en verificatie nodig. De adoptie van 3D-printen als productieproces is nog volop aan de gang en de stap naar 4D-printen met multimateriaalsoorten zou nog wel even op zich kunnen laten wachten. Die ontwikkelingen zijn immers voornamelijk economisch gedreven.

UITDAGINGEN EN MOEILIJKHEDEN

Een van de grootste uitdagingen op het gebied van 4D-printen na de hypefase is het vermogen om betrouwbare producten en constructies op te leveren. Vaak zijn de structuren gemaakt van flexibele materialen die grote deformaties ondergaan. Ontwerpen, gericht op functionaliteit en deformeerbare materialen, in combinatie met voorspellende simulaties, gebaseerd op intelligentie, worden in de toekomst van cruciaal belang voor het ontwikkelen van nieuwe materialen, het bepalen van de printstrategie en het voorspellen van de uiteindelijke vormen.

Verder moeten ook de vermoeiing en de duurzaamheid van die onderdelen nog intensiever onder de loep worden genomen, zeker als ze worden toegepast in kritische functionele onderdelen.