Je loopt een grote woonwinkel met gele letters binnen, koopt daar een stoel en gaat naar huis. In plaats van dat je er thuis een uitgebreide gebruiksaanwijzing bij houdt en alsnog 2 plankjes en 7 schroeven over houdt, staat er nu slechts één zin in de gebruiksaanwijzing: “Zet het pakket onder de douche”. Wanneer je wat later terug komt staat er een stoel onder de douche. Is dit toekomst, of toch fictie?

2,2½, 3, 3½ …

Bijna iedereen kent het “normale” 2D printen waarbij er op papier wordt afgedrukt, maar er bestaan ook andere print technieken. Zo bestaat er 2½D printen waarbij er reliëf kan worden aangebracht op het geprinte papier. Dit kan bijvoorbeeld gebruikt worden om tekeningen beschikbaar te maken voor slechtzienden. Een andere bekende techniek is 3D printen waarbij fysieke objecten geprint kunnen worden. 3D geprinte objecten zullen niet van vorm veranderen, tenzij deze kapot worden gemaakt. Bij 3½ printen wordt het mogelijk om deze objecten mechanisch te laten bewegen, zoals een waterpomptang [1][2]. Ondanks dat 3D printen pas sinds korte tijd op grotere schaalt wordt toegepast, bestaat de techniek al meer dan 30 jaar [3]. Het wordt dus tijd voor een opvolger, na 3 komt 3½ wat gevolgd wordt door 4D printen, waar houdt dit op?

4D printen

Bij 4D printen wordt er naast de dimensies hoogte, breedte en diepte (zoals bij 3D printen) ook de vierde dimensie tijd toegevoegd. Ook 4D geprinte objecten kunnen bewegen net zoals 3½D geprinte objecten, alleen is er bij een 3½D geprint object nog menselijke inbreng nodig. Bij 4D printen wordt het mogelijk dat het object zichzelf aanpast over een bepaalde periode (zie Figuur 1) [2]. Deze verandering van vorm wordt in gang gezet door een externe stimulans zoals warmte, licht of water.

4D printing
Figuur 1: 4D geprinte kubus.

Ondanks dat de techniek 4D printing wordt genoemd heeft het niet zoveel te maken met het printen zelf. Voor 4D printen kan een 3D printer gebruikt worden, het gaat vooral om de materialen die worden gebruikt bij het printen, deze moeten kunnen vervormen. Materialen die veranderen in de loop van de tijd, door invloed van buitenaf, worden smart materialen genoemd. Voor 4D printen worden twee typen materialen gebruikt, single- en multi-materialen.
Bij een single smart materiaal of mix van smart en conventionele materialen, speelt de mate van smart een belangrijkere rol dan voor multi-materialen. Eigenschappen zoals aanpassingsvermogen, vorm geheugen en verschillende functionaliteiten van gemixte materialen bepalen de mate van smartheid. Deze eigenschappen bepalen hoe het object van vorm zal veranderen. Als het object van slechts één materiaal wordt geprint zal het alle veranderingen aan moeten kunnen terwijl bij multi-materiaal dit over meerdere materialen verdeeld kan worden.
Bij multi-materialen is het van belang om rekening te houden met de 3D print technologie. Alle verschillende materialen moeten met deze printer ook geprint kunnen worden. PolyJet is de meest gebruikte technologie op het gebied van multi-materiaal printen. Ontwikkelingen op het gebied van 4D printen borduren dan ook vaak door op deze technologie. [4]

Uitdagingen

4D printen is een nieuw onderzoeksgebied wat uitdagingen met zich mee brengt. Er zijn drie hoofdcategorieën toe te kennen aan deze uitdagingen, dit zijn [4]:

  • Technologische beperkingen. Hierbij wordt vooral gedacht aan de (nog) niet toereikende technologieën van 3D printen.
  • Materiaal beperkingen. Dit heeft te maken met de technologische beperkingen. Printers die op dit moment 4D kunnen printen gebruiken vloeibaar “inkt” en UV of laser om dit uit te harden. Om te kunnen printen moet het smartmateriaal dus ook vloeibaar zijn en met UV of laster uitgehard kunnen worden.
  • Ontwerp beperkingen. Deze ook dit heeft weer te maken met de technologische beperkingen, omdat bepaalde ontwerpen simpelweg nog niet geprint kunnen worden.

Toepassingen

Een basisvorm die met 3D printen gemaakt kan worden is een kubus. Wanneer deze kubus leeg is van binnen, neemt het qua inhoud veel plaats in. Wanneer de kubus met behulp van 4D printen wordt gemaakt, zou het mogelijk kunnen zijn dat deze door bepaald invloed zichzelf in- en uitklapt en daardoor minder ruimte inneemt. Dit zou qua transport veel kunnen schelen [5]. Deze toepassing zou ook gebruikt kunnen worden bij andere vormen, bijvoorbeeld bij de stoel uit de inleiding.

Een andere toepassing van smart materialen kan zijn dat een object zich aanpast aan de vraag van dat moment. Waterleidingen zijn nu statische objecten die vervangen dienen te worden wanneer de capaciteit niet toereikend is of wanneer deze versleten of beschadigd zijn. Door middel van 4D printen zou het mogelijk kunnen worden dat de leiding zichzelf aanpast aan de vraag op dat moment. Een nog idealer scenario zou zijn dat deze een lekkage ook zelf kan verhelpen [6].

Ook in de medische wereld zou smart materiaal van nut kunnen zijn. Wat nou als een medicijn zijn werkende stof pas af zou geven wanneer de eerste signalen van een infectie of ziekte zich voor doen. De temperatuursverandering in het lichaam kan als trigger dienen om de werkende stof te verspreiden [7].

5D en verder…

Ook 5D printen is al een term die genoemd wordt, maar is toch een beetje misleidend. Bij 5D printing gaat het namelijk niet om het toevoegen van een vijfde dimensie, maar over het aantal assen dat gebruikt wordt tijdens het printen. Bij 3D printen worden er verschillende lagen in dezelfde richting over elkaar heen geprint. Het in dezelfde richting over elkaar heen printen zorgt voor zwakke punten. Bij 5D printen wordt er in verschillende richtingen geprint, wat de sterkte van het object significant vergroot. [1][8]

4D printing is iets dat nog in een onderzoeksfase zit. Het is iets wat nog niet op grote schaal wordt toegepast. Toch zijn er al voorspellingen dat de markt van 4D printen $63 miljoen in 2009 en $555.6 miljoen in 2025 zal zijn [9]. Een van de belangrijkste toepassingen van 4D printen ligt in het vervangen van menselijk handelen in moeilijke omstandigheden, zoals moeilijk bereikbare locaties of extreme omstandigheden.

 

[1] Lansard, M. (2016, Augustus 31). 2.5D < 3D < 4D < 5D printing: the five dimensions of 3D printing, explained. Opgeroepen op Oktober 16, 2017, van Aniwaa: http://www.aniwaa.com/blog/2-5d-3d-4d-5d-printing-five-dimensions-3d-printing-explained/
[2] Lamb, R., & Lamb, L. (2013, April 11). Trendwatchers Lamb: 3D-printing wordt 4D-printing! Opgeroepen op Oktober 15, 2017, van Marketingfacts: https://www.marketingfacts.nl/berichten/trendwatchers-lamb-3d-printing-wordt-4d-printing
[3] Raviv, D. (2014, December 18). Explainer: what is 4D printing? Opgeroepen op Oktober 14, 2017, van The conversation: https://theconversation.com/explainer-what-is-4d-printing-3569
[4] Khoo, Z. X., Teoh, J. E., Liu, Y., Chua, C. K., Yang, S., An, J., et al. (2015). 3D printing of smart materials: A review on recent progresses in 4D printing. Virtual and Physical Prototyping , 10 (3), 103-122.
[5] Young, M. (2017, Februari). 4D Printing – All You Need to Know. Opgeroepen op Oktober 17, 2017, van All3dp: https://all3dp.com/4d-printing/
[6] Tibbits, S. (2013, April 4). The emergence of “4D printing” |Video file|. Opgeroepen op  September 13, 2017, from https://www.youtube.com/watch?v=0gMCZFHv9v8
[7] Pye, A. (2016, Oktober 28). Multi-material 4D Printing with Tailorable Shape Memory Polymers. Opgeroepen op Oktober 20, 2017, van Prospector: https://knowledge.ulprospector.com/5423/pe-multi-material-4d-printing/
[8] Mahon, L. (2016, Juni 23). 5D Printing? Opgeroepen op Oktober 16, 2017, van 3D printing industry: https://3dprintingindustry.com/news/5d-printing-83337/
[9] Halterman, T. (2015, Juli 2). Where is the 4D Printing Market Headed? Opgeroepen op Oktober 21, 2017, van 3D print: https://3dprint.com/78035/4d-printing-market/

 

Artikel door Frank Harmsen

Student met interesses op het gebied van financiën, data, IT en sport.