4D Printing: Λειτουργία και εφαρμογές

0
183

Στην εποχή του Industry 4., το 3D Printing έχει πρωταγωνιστικό ρόλο και πρόκειται για μια τεχνολογία η οποία δείχνει να έχει πολλά περιθώρια εξέλιξης σε επίπεδο έρευνας και ανάπτυξης. Το 4D Printing είναι το επόμενο στάδιο στην τρισδιάστατη εκτύπωση, και αναμένεται να μας απασχολήσει έντονα στο κοντινό μέλλον.

 

Των κ. Καλογεράκη και κ. Κρυφού*

 

Το 4D Printing αποτελεί το επόμενο βήμα στην τεχνολογία προσθετικής κατασκευής, και πρόκειται για τη χρήση των γνωστών τεχνολογιών τρισδιάστατης εκτύπωσης με τη μόνη διαφορά ότι το τελικό προϊόν μπορεί να αλλάξει το σχήμα του, ανάλογα με το ερέθισμα που επενεργεί σε αυτό.

Αυτή η αλλαγή του σχήματος επιτυγχάνεται με τη χρήση των λεγόμενων «έξυπνων υλικών», στα οποία μπορούμε να ασκήσουμε ένα εξωτερικό ερέθισμα (θερμοκρασία, υγρασία, pH, φως, μηχανική τάση, ηλεκτρικό/μαγνητικό πεδίο κ.ά.) και να τα κάνουμε να ανταποκριθούν με ελεγχόμενο και αναστρέψιμο τρόπο. Κλασικό παράδειγμα τέτοιου υλικού είναι οι πιεζοηλεκτρικοί κρύσταλλοι, οι οποίοι μπορούν να αλλάξουν σχήμα αν τους ασκηθεί ένας ηλεκτρικός κρουστικός παλμός.

 

Έξυπνα υλικά

 

Υπάρχουν αυτή τη στιγμή πάρα πολλά έξυπνα υλικά που κατατάσσονται σε πάνω από είκοσι κατηγορίες, απ’ τις οποίες οι πιο σημαντικές για το 4d Printing είναι οι εξής:

  • Πολυμερή και κράματα (shape memory polymers / shape memory alloys [SMP / SMA]) που μπορούν να δεχτούν μεγάλη παραμόρφωση και μετά να επανέλθουν στο αρχικό τους σχήμα, είτε μέσω αλλαγής στη θερμοκρασία είτε μέσω μηχανικής τάσης. Χαρακτηριστικό παράδειγμα SMP είναι το πολυγαλακτικό οξύ (polylactic acid [PLA]), το πιο διαδεδομένο υλικό στην τρισδιάστατη εκτύπωση.
  • Ηλεκτροενεργά πολυμερή (electroactive polymers [EAP]) που αλλάζουν το σχήμα τους με επενέργεια ηλεκτρικής τάσης ή ηλεκτρικού πεδίου.
  • Φωτομηχανικά υλικά που αλλάζουν το σχήμα τους όταν εκτίθενται στο φως.
  • Διηλεκτρικά ελαστομερή (Dielectric Elastomeres [DEA])τα οποία είναι σύνθετα υλικά που παρουσιάζουν μεγάλες παραμορφώσεις όταν βρίσκονται υπό την επήρεια ηλεκτρικού πεδίου.
  • Υδρόφιλα πολυμερή (hydrogels), τα οποία μπορούν να απορροφήσουν μεγάλες ποσότητες νερού. Ο όγκος τους εξαρτάται από το πόσο νερό έχουν απορροφήσει, με αποτέλεσμα να μπορούν να ελεγχθούν μέσω αλλαγής της υγρασίας του περιβάλλοντός τους.

4D printing

 

Η τεχνολογία 4D printing βρίσκεται ακόμα σε πρώιμο στάδιο και κατ’ επέκταση έχει ελάχιστες εφαρμογές στον πραγματικό κόσμο· ωστόσο, οι εκτιμήσεις για τις μελλοντικές δυνατότητές της φαντάζουν αρκετά μεγάλες.

Κλάδοι που μπορούν να επωφεληθούν από τη συγκεκριμένη τεχνολογία είναι ενδεικτικά οι εξής:

  • Ο τομέας των επιστημών υγείας, όπου γίνεται έρευνα για εκτύπωση κυττάρων, ιστών ή ακόμα και οργάνων, τα οποία θα μπορούν να αντικαταστήσουν τα ανθρώπινα μοσχεύματα. Μεγάλη συμβολή σε αυτόν τον τομέα θα έχει επίσης η κατασκευή μικροβιορομπότ, τα οποία θα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη χορήγηση φαρμάκων ή και για εγχειρήσεις και κατασκευή τεχνητών μυών.
  • Τα soft robotics, τα οποία θα ξεπεράσουν αδυναμίες των παραδοσιακών ρομπότ που είναι κατασκευασμένα από σκληρά υλικά (όπως μέταλλα, σκληρά πλαστικά και κεραμικά) τα οποία έχουν βασικό μειονέκτημα το ότι δεν μπορούν να παραμορφωθούν και να διεκπεραιώσουν εργασίες που απαιτούν ευκαμψία. Τα soft robotics, λοιπόν, έρχονται να καλύψουν αυτό το κενό και χάρη στο 4D printing είναι πιο εύκολο να παραχθούν «μαλακοί» επενεργητές.
  • Οι εύκαμπτοι αισθητήρες και ηλεκτρονικά συστήματα, που μπορούν να αναπτυχθούν παράλληλα με τα soft robotics. Ακριβώς όπως μπορούμε να ελέγξουμε τα έξυπνα υλικά, θα μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε την παραμόρφωση αυτών των συστημάτων για να μετρήσουμε διάφορα μεγέθη.

 

*Ο κ. Δημήτριος Καλογεράκης και ο κ. Δημήτριος Κρυφός (διπλωματούχος μηχανολόγος μηχανικός) είναι επιστημονικοί συνεργάτες του Εργαστηρίου Στοιχείων Μηχανών και Δυναμικής του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου.