4D spausdinimas

Tekstas – Agnė TAMAŠAUSKAITĖ

Kol mes vis dar bandome suprasti trimačio spausdinimo arba adityvios (pridėtinės) gamybos (angl. additive manufacturing) galimybes ir ribas, mūsų žodyne atsirado naujas terminas. 4D spausdinimas yra ne kas kita kaip skaitmeninė gamybos technologija – 3D spausdinimas, kuris apima naują dimensiją: laikinumą. Tai reiškia, kad spausdinta medžiaga, kai bus paruošta, galės keistis, transformuotis arba judėti savarankiškai dėl savo savybių, kurios reaguoja į aplinkos dirgiklius.

4D spausdinimas yra skaitmeninė gamybos technologija – 3D spausdinimas, kuris apima naują dimensiją: laikinumą.

3D spausdintuvų kainai tampant vis prieinamesnei, 3D spausdinimas šiandien matomas jau ne tik pramonėje, bet ir namų ūkiuose. Žinojimas, kad galima spausdinti beveik bet ką, ne tik ženklus ant popieriaus, skatina inovatyviau pažiūrėti į šiuolaikinę architektūrą. Pritaikę modernias technologijas, mokslininkai plėtoja metodiką, kaip su 3D spausdintomis medžiagomis galima padaryti daugiau, kad jos taptų lankstesnės ir naudingesnės: taptų struktūromis, kurios gali transformuotis iš anksto užprogramuotu būdu reaguodamos į stimulą. Pastaraisiais metais atsiradusį populiarųjį mokslinį pavadinimą „4D spausdinimas“ paprasčiau galima apibūdinti kaip objektus su galimybe laikui bėgant transformuotis.

Sujungia technologijas ir dizainą

Pastatas šiuolaikinėje architektūroje vis dažniau vertinamas kaip tarpdisciplininis objektas. 4D spausdinimas siekia sujungti technologijas ir dizainą, kad būtų sukurtos savaiminio surinkimo ir programuojamų medžiagų

technologijos, kuriomis siekiama iš naujo įsivaizduoti konstrukciją, gamybą, gaminių surinkimą ir veikimą. Technologija vis dar gana nauja, tačiau tikimasi, kad ji bus naudojama daugelyje sričių, pradedant statyba, infrastruktūra, automobiliais ir aeronautika, netgi sveikatos priežiūrai, kartu su biospausdinimu.

Šiandieninis trimatis materialus pasaulis yra pagamintas iš pasyvių, negyvų medžiagų, tokių kaip plytos, plienas ir stiklas. 4D spausdinimas yra procesas, kurio metu 3D atspausdintas objektas keičia struktūrą, veikiamas išorinių elementų, tokių kaip temperatūra, šviesa ar kiti aplinkos dirgikliai. Keturių dimensijų konstrukcijos yra pagamintos iš aktyvių, animuotų, vadinamųjų išmaniųjų medžiagų, kurios juda savarankiškai – brinksta, traukiasi ar lenkiasi reaguodamos į dirgiklį. Tai leidžia joms judėti ir keisti formą be robotikos, elektronikos ar variklių.

„ABB“ archyvo nuotr.

Kaip veikia 4D spausdinimas?

4D spausdinimo technologija naudoja įprastus komercinius 3D spausdintuvus. Papildomas elementas – vadinamoji išmanioji medžiaga, dažniausiai hidrogelis arba formą prisimenantys polimerai (angl. shape memory polymer). Tai yra kietosios medžiagos, kurių savybės – forma, matmenys ar spalva – keičiasi reaguodamos į išorinį dirgiklį, pavyzdžiui, šilumą, šviesą, drėgmę, slėgį ar magnetizmą. Tokios struktūrinės deformacijos nėra naujiena – mokslininkai jau pristatė ne vieną išmaniąją statybinę medžiagą. Viena populiariausių technologijų, kai temperatūros pokytis sukelia formos pasikeitimą. Kiti sėkmingi metodai naudoja elektroaktyvius polimerus, suslėgtus skysčius ar dujas, cheminius stimulus. Tuo išmaniosios medžiagos ir skiriasi nuo įprastų 3D spausdinimo medžiagų, iš kurių pagaminti objektai pasižymi standumu – išlaiko savo 3D formą. 4D spausdinimas tiesiogiai priklauso nuo medžiagų, naudojamų kuriant objektą.

Biomimikrijos varomoji jėga

Išmaniosios medžiagos yra sukurtos taip, kad būtų jautrios ir gebančios prisitaikyti prie išorinės aplinkos veikiant mažo intensyvumo dirgikliams. Biomimikrija yra vienas galimų būdų šias medžiagas kurti, semiantis įkvėpimo iš natūraliai gamtoje vykstančių procesų. Pavyzdžiui, jūrų agurkų tyrimai įkvėpė savaime kietėjančias išmaniąsias medžiagas, o pušų kankorėžis, atsidarantis ir išsiskiriantis sėklas tik tada, kai yra palankus laikas dygti dirvoje (karšta ir sausa), yra puikus natūralios į drėgmę ir temperatūrą reaguojančios išmaniosios medžiagos pavyzdys. Gamtoje randami pavyzdžiai medžiagų inžinierius skatina suprasti ir atkartoti sudėtingus gamtos prisitaikymo, atsparumo ir efektyvumo procesus. Tai yra biomimikrijos varomoji jėga, kai 4D spausdinimas gali įgyvendinti daugelį idėjų, kurios technologiškai dar nepasiekiamos.

„ABB“ archyvo nuotr.

4D spausdinimo pranašumai

• Besikeičiantis dydis. Akivaizdžiausias 4D spausdinimo pranašumas yra tas, kad didesni nei spausdintuvai objektai gali būti spausdinami kaip viena pilna dalis. Kadangi 4D spausdinami objektai gali keisti formą, susitraukti ir išsiskleisti, objektai, kurie yra per dideli, kad būtų išspausdinti viena dalimi, gali būti suspausti 3D spausdinimui į antrinę formą.

• Tvaresnė architektūra. Vienas esminių tvarumo elementų – galimybė prisitaikyti ir keistis. Prie klimato sąlygų prisitaikanti architektūra padeda kurti tvaresnę ateitį ir užtikrina didesnį komfortą mūsų kasdienybėje.

• Naujos medžiagos = naujos savybės. Kitas 4D spausdinimo technologijos pranašumas yra galimų naujų medžiagų naudojimas. 4D spausdinimas turi didžiulį potencialą pakeisti pasaulį, kokį matome šiandien. Žvelgiant į ateitį, 4D spausdinimas gali atnešti neribotų galimybių, taikant įvairias išmaniąsias medžiagas, kurių šiandien net neįsivaizduojame.

Panaudojimo galimybės

Pagrindinis 4D spausdinimo tikslas – gebėti užprogramuoti medžiagą, kad ji reaguotų pagal aplinkos parametrus. Akivaizdus to panaudojimas – statybos ir gamybos arba pažangių medžiagų pramonėje, kur dalys iš žaliavų gali savaime, be žmogaus įsikišimo, virsti į galutines konstrukcijas. Tai, be abejonės, radikalus mūsų supratimo apie struktūras pokytis, nuo statiškų ir nelanksčių iki tokių, kurios netrukus bus dinamiškos ir pritaikomos pagal poreikį.

Bet architektūra ne vienintelė sritis, kurioje galima pritaikyti 4D spausdinimo galimybes. Pavyzdžiui, infrastruktūros srityje gali būti panaudoti drenažo vamzdžiai, kurie susitraukia arba išsiplečia reaguodami į vandens srautą; arba kanalizacijos sistema, kuri galėtų transportuoti atliekas per susitraukimus ir atsipalaidavimus, panašius į žarnyno peristaltinius judesius, bei taip įveiktų reljefo šlaitus. Taip pat šiandien jau yra rimtų tyrimų, susijusių su polimerinių medžiagų 4D spausdinimu audinių ir organų regeneracijai ar net kaulų rekonstrukcijai. Išmaniųjų medžiagų technologija patobulintas 4D spausdinimas greičiausiai revoliucionuos mūsų gebėjimą kontroliuoti ir tiksliai programuoti medžiagas daugelyje sričių.

Apibendrinant

4D spausdinimo galimybės gali tapti neribotos, o eksperimentavimas gali būti daug platesnis. Įsivaizduokite viską, ką išmaniosios medžiagos ir 4D spausdinimas galėtų suteikti pastatų konstrukcijoms, prisitaikančioms prie klimato ir reaguojančioms į pačius įvairiausius dirgiklius. Nors ši technologija dar tik pradeda vystytis ir kol kas yra sutelkta keliose technologijų laboratorijose visame pasaulyje, panašu, kad jos ateitis yra daug žadanti. Kai mes siekiame suprasti ir imituoti gamtą, o ne ją valdyti, rezultatai dažnai būna įspūdingi. Jei istorija rodo, kad išgyvena ne stipriausias, o tas, kuris geriausiai prisitaiko prie pokyčių, 4D spausdinimas išmaniosiomis medžiagomis tikrai dėmesio vertas išradimas.