Van 3D printen naar 4D printen

Van 3D printen naar 4D printen

Hoewel 3D printen en de rapid prototyping technologie inmiddels al vele jaren bestaan, wordt de techniek tegenwoordig nog altijd gezien als revolutionair. En hoewel er in de sector nog dagelijks innovatie plaatsvindt, is die reputatie misschien niet helemaal terecht. Een nieuwe technologische revolutie staat namelijk alweer om de hoek: 4D printen.

4D printing

Een speciaal onderzoeksteam van het Georgia Institute of Technology hebben een nieuwe 3D printing methode uitgevonden die weer een reuzensprong voorwaarts betekent in het vakgebied. 3D prints van voorwerpen kunnen met behulp van de techniek namelijk blijvend nieuwe vormen aannemen, zodra ze tot de juiste temperatuur worden opgewarmd.

De mogelijkheden zijn ongekend, want alleen al een temperatuursverandering in de omgeving is hierdoor voldoende om de vorm van objecten te beïnvloeden. De nieuwe methode is door de onderzoekers tot 4D printen gedoopt, omdat tijd traditioneel gezien wordt als de vierde dimensie. De vormverandering vindt automatisch plaats gedurende een bepaalde tijdsperiode en daarmee kan het dus als een 4D printproces worden gezien.

Lees meer:
De gebruikte materialen binnen 3D printing
De opkomst van nieuwe filamentsoorten
Flexibele prints door nieuwe filamenten
Hoe werkt 3D printen ten opzichte van 4D printen?

Speciale polymeren ten grondslag aan vormverandering

Een sleutelrol in de nieuwe technologie is weggelegd voor het gebruikte filament, namelijk zogenaamde shape memory polymers. Deze polymeren zijn speciaal ontwikkeld om hun oorspronkelijke afmetingen te onthouden, waardoor ze indien gewenst altijd naar deze vorm terug kunnen gaan. Hiervoor moet dan wel een trigger zijn zoals een verandering in de omgeving.

Deze verandering kan de eerder genoemde stijging in temperatuur zijn, maar ook een andere factor zoals een verandering in zuurgraad, toevoeging van bepaalde chemische bestanddelen of het slim toepassen van licht.

In eerste instantie is het vooral een temperatuursverandering die door de onderzoekers succesvol is getest. Vanaf een temperatuur van 45 graden Celsius neemt de 3D print geleidelijk andere vormen aan. Dit is mogelijk doordat het filament uit zowel harde als zachte elementen bestaat, waardoor het materiaal een zekere mate van elasticiteit en buigbaarheid bezit.

Vormverandering als gevolg van temperatuursverandering is overigens niet iets nieuws. In de natuur zien we het bijvoorbeeld al bij oliën (denk bijvoorbeeld aan de kokosolie in je keukenkastje), die in de winter een vaste substantie hebben maar bij hogere temperaturen in de zomer plotsklaps vloeibaar zijn.

Hydrogels: alternatief niet zonder nadelen

Een alternatief voor de genoemde shape memory polymers is de toepassing van speciale hydrogels. Dit heeft echter verschillende nadelen. Zo is de stijfheid van het hydrogel filament minder groot, waardoor voorwerpen hun vorm minder makkelijk behouden. Ook verloopt het traject van vormverandering relatief langzaam en blijken de 3D prints in de praktijk kwetsbaar. Shape memory polymers zijn in de meeste situaties dan ook de betere keuze voor 4D printing.

Het concept van 4D printen is overigens niet nieuw; enkele jaren geleden werd al gemeld dat geprinte objecten onder invloed van externe factoren van vorm konden veranderen. Het grote verschil is echter dat deze vormverandering van tijdelijke aard was. Bij de nieuwe methode heeft de ontwerper meer vrijheid en kan de aangepaste vorm ook een permanent karakter hebben.

Hydrogel 3D print

4D printen heeft de toekomst

Dit maakt het nieuwe 4D printen niet alleen een veelzijdiger techniek, maar bovenal simpeler in gebruik. Het printproces verloopt maar liefst 90% sneller dan bij de oude methode en ook de kosten voor het printproces worden aanzienlijk verlaagd. Een gemiddelde 4D print is al binnen 60 seconden te printen, wat natuurlijk ideaal is voor experimenten met prototypes en schaalmodellen.

Maar ook talloze andere toepassingsgebieden zijn denkbaar. De auto-industrie, ruimtevaart en luchtvaart zijn voorbeelden van sectoren die momenteel al sterke interesse hebben in 3D printing en die waarschijnlijk veel baat hebben bij de mogelijkheden die 4D printing nu biedt. Denk alleen al het snel en goedkoop produceren van vleugels die van vorm kunnen veranderen.

Ook de medische sector houdt de ontwikkelingen rondom 4D printen nauwlettend in de gaten. Zelfoplosbare hechtingen en stents die bloedvaten aan de hand van de lichaamstemperatuur meer of minder openzetten behoren ineens tot de mogelijkheden. In de komende jaren zullen we ongetwijfeld nog veel gaan horen van deze nieuwe technologie. En zoals altijd, houden wij je natuurlijk op de hoogte!

Lees meer:
Ford past 3D printing toe
Boeing print satellieten in 3D
NASA gebruikt 3D printen voor astronauten
4D printing ideaal voor prototypes