Dr. Hideo Kodama wordt wereldwijd erkend als de vader van 3D-printen. In de vroege jaren 80 bedacht hij een laag-voor-laag benadering van fabricage terwijl hij op zoek was naar een snelle prototyping-methode. Kort gezegd bestaat 3D-printen uit het creëren van een driedimensionaal object door het te printen via een door de computer gemaakt ontwerp. Het staat ook bekend als additive manufacturing, waarbij materiaallagen worden opgebouwd.
In de jaren 90 nam de technologie toe, tot het moment dat 3D-printers beschikbaar werden voor het grote publiek. Toch stopt de vooruitgang niet, want er komt een nieuwe ontwikkeling aan: 4D-printen.
Waar gaat 4D-printen over?
Het is het proces waarbij een 3D-geprint voorwerp van vorm verandert onder invloed van externe factoren zoals temperatuur, licht of andere externe prikkels. Met andere woorden, ze werken als een soort actieve origami die bij verhitting van structuur kan veranderen. Vermeldenswaard is dat 4D-printen een evolutie is van 3D-printen; het zou niet bestaan zonder 3D-printen.
Hoe verschilt 4D-printen van 3D-printen?
Het enige verschil is dat er een “D” meer is, wat staat voor dimensie. Dus, over welke dimensie hebben we het? Gemakkelijker dan je zou verwachten, tijd. In feite wordt 4D-printen vaak aangeduid als 3D-printen dat in de loop van de tijd verandert. Een 4D-geprint object kan van vorm veranderen afhankelijk van externe omstandigheden.
Hoe werkt 4D-printen?
4D-printen maakt ook gebruik van 3D-printers. Wat echter verandert zijn de inputmaterialen, gedefinieerd als slimme materialen. Dit zijn hydrogels of geheugenpolymeren die – dankzij hun eigenschappen – inderdaad van vorm kunnen veranderen in de tijd. 3D-geprinte voorwerpen hebben daarentegen stijfheid als een van hun eigenschappen, wat betekent dat ze dezelfde vorm behouden nadat ze zijn vervaardigd.
Vierdimensionale geprinte voorwerpen reageren op warmte, water of elektriciteit – om maar enkele katalysatoren te noemen – op basis van de instructies die op hun geometrische codering staan. Dit betekent dat zij, afhankelijk van hun toepassing, kunnen uitrekken, vouwen en buigen wanneer zij worden geactiveerd.
Wat zijn de voornaamste voordelen?
Het belangrijkste voordeel van 4D-printen is de mogelijkheid om voorwerpen te printen die groter zijn dan de gebruikte printer. Door computervouwen kunnen grotere voorwerpen worden gereproduceerd als slechts één onderdeel. Dit leidt tot de mogelijkheid om structuren te creëren die met de huidige productietechnieken onmogelijk te bouwen zijn. In potentie zou 4D-printen het mogelijk kunnen maken om infrastructuur op te zetten die kan veranderen afhankelijk van het weer – denk aan een brug die kan uitzetten tijdens een overstroming.
Een ander voordeel ligt in het gebruik van nieuwe slimme materialen. Deze zouden de fabricage – en dus de voorwerpen van ons dagelijks leven – echt kunnen veranderen op een manier die we ons nu nog niet eens kunnen voorstellen.
Gezien de toename van de productie-efficiëntie zou 4D-printen kunnen leiden tot een potentiële vermindering van afval. Als een enkel voorwerp voor meerdere doeleinden wordt gebruikt, zou dit de behoefte aan wegwerpproducten kunnen verminderen.
Wat zijn de beperkingen?
Zoals elke andere technologie die nog ver van het stadium van volwassenheid verwijderd is, moeten vele aspecten worden uitgezocht. Ten eerste zijn de kosten van apparatuur en materialen hindernissen die overwonnen moeten worden om massaproductie mogelijk te maken. Ten tweede zijn de betrouwbaarheid en de levensduur van de materialen nog twijfelachtig. Ten derde is het potentiële milieueffect van deze technologie nog onduidelijk.
Wat zijn de mogelijke toepassingen?
Hoewel 4D-printing nog steeds beperkt is tot laboratoriumexperimenten, kunnen hier enkele toepassingsvoorbeelden worden genoemd. Human tissue engineering is ongetwijfeld een van de use cases die mogelijk zouden kunnen zijn met behulp van biocompatibele hydrogels. In de gezondheidszorg zou de toediening van geneesmiddelen efficiënter kunnen worden gemaakt met behulp van microapparatuur die het geneesmiddel vrijgeeft zodra het de lichaamstemperatuur van de patiënt bereikt.
Zelfaanpassende pijpen zouden ook een toepassingsgebied kunnen zijn. Deze zouden hun diameter kunnen vergroten naarmate het debiet toeneemt, of ze zouden zelf een scheur kunnen repareren. Kleding is een andere vermeldenswaardige industrie. Van jassen en uniformen die zich kunnen aanpassen aan de buitentemperatuur tot schoenen die zich aanpassen aan de voetmaat en -vorm van de drager. Ook vele andere toepassingen zijn denkbaar, van ruimtevaart tot meubilair.
Als je dit artikel leuk vindt, lees dan ook:
