Biasanya, 4D berarti ruang empat dimensi di mana terdapat objek empat dimensi - tesseract, icocitrachor (tidak memiliki analog di dunia tiga dimensi) dan sejenisnya. Beberapa tahun yang lalu, istilah 4D digunakan untuk merujuk pada teknologi khusus untuk mencetak objek yang mengubah karakteristiknya seiring waktu. Dengan demikian, dalam pencetakan 4D "keempat" tidak disebut pengukuran, tetapi parameter yang terkait dengan posisi (mungkin fungsi) objek.
Teknologi printer 4D hampir tidak revolusioner dibandingkan dengan pencetakan 3D konvensional - sebuah objek dibuat lapis demi lapis dengan cara yang sama. Hal yang paling menarik terjadi kemudian, ketika barang jadi mulai berubah. Dan di sini semuanya tergantung pada bahan apa yang digunakan pada printer. Bahan khusus berubah di bawah pengaruh air, panas, cahaya, tekanan mekanis, dan juga dapat diprogram untuk tindakan tertentu.
Mari kita lihat mengapa pencetakan 4D diperlukan dan seperti apa dunia dibangun berdasarkan hal-hal yang mengubah bentuk dan perilaku mereka.
Mobil masa depan
Tahun lalu, BMW mempresentasikan seperti apa mobil masa depan. Konsep itu bukan tanpa penggunaan 4D. Seperti dikandung oleh para insinyur, bodi mobil terdiri dari bagian segitiga bergerak yang dicetak pada printer 4D. Bagian tersebut akan memiliki fungsi terintegrasi, yang sekarang dicapai dengan melepaskan bagian yang berbeda dan mengumpulkan satu mekanisme dari mereka.
Berkat penggunaan bahan khusus yang mirip dengan karakteristik serat karbon, setiap bagian dari saat produksi akan memiliki fungsi terprogram. Misalnya, sebagian besar cakupan akan melayani relung roda yang dirancang untuk aerodinamika yang lebih baik. Selama belokan, bagian segitiga terentang dan ban tidak bergesekan dengan lengkungan.
Peragaan visual dari kemampuan mobil konsep, dibuat menggunakan pencetakan empat dimensi:
Ubah bentuk setelah kontak dengan air
Sebuah tim ilmuwan di Universitas Harvard memperhatikan tanaman yang bereaksi dan mengubah bentuknya sebagai respons terhadap rangsangan lingkungan. Struktur komposit hidrogel telah dikembangkan yang berubah bentuk ketika direndam dalam air.
Objek berbentuk bunga anggrek dicetak dengan tinta komposit hidrogel yang mengandung serat selulosa khusus. Untuk memberikan serat kayu ke arah yang diinginkan, mereka dicampur dengan akrilamida hidrogel. Ketika direndam dalam air, zat yang dihasilkan mengubah dimensi geometrisnya dengan cara yang telah ditentukan.
Tinta komposit memungkinkan Anda mendapatkan produk dengan berbagai bentuk. Selain itu, dimungkinkan untuk mengubah komposisi bahan untuk memperoleh sifat-sifat tertentu, misalnya konduktivitas listrik atau biokompatibilitas.
Para peneliti di Laboratorium Perakitan Mandiri Institut Teknologi Massachusetts telah mengembangkan templat 2D yang, ketika direndam dalam air, terlipat menjadi sebuah kubus. Untuk mencetak Self-Assembly Lab, digunakan printer Stratasys Objet260 Connex1, yang memungkinkan Anda bekerja menggunakan berbagai bahan (termasuk karet dan polipropilena).
Laboratorium telah menciptakan banyak produk beragam yang secara mandiri dapat mengambil bentuk atau perakitan mandiri yang diinginkan. Mereka menunjukkan tali sepatu yang menghiasi diri mereka sendiri dan perabot yang terbuka sendiri.
Pertahanan luar angkasa
Menggunakan pencetakan 4D, insinyur NASA
menciptakan kain logam untuk melindungi satelit dari kerusakan dan radiasi, serta menghasilkan antena yang fleksibel. Kainnya adalah semacam "surat berantai" yang dibuat dari keping perak dan logam lainnya. Materi dapat berulang kali ditekuk, tidak ditekuk, diregangkan dan dikompresi. Setiap sisi kain memiliki sifat sendiri, memantulkan atau menyerap cahaya dan panas. Terlepas dari fleksibilitasnya, bahan ini sangat sulit untuk sobek. Direncanakan bahwa satelit akan dimasukkan ke dalam bahan pelindung sebelum diluncurkan ke luar angkasa, atau dengan bantuannya mereka akan melindungi pakaian antariksa dan modul yang bisa dihuni.
Teknologi untuk militer
Institut Nanoteknologi Internasional Northwestern University menerima hibah lima tahun dari Departemen Pertahanan AS untuk mengembangkan printer 4D. Printer empat dimensi
akan digunakan untuk penelitian di bidang kimia, ilmu material dan di bidang yang terkait dengan pertahanan. Diasumsikan bahwa pencetakan 4D akan memungkinkan terciptanya sensor kimia dan biologi baru, struktur dan bahan untuk microchip.
Saat ini, kemajuan terhambat oleh kurangnya peralatan murah yang mampu mencetak dengan resolusi sangat tinggi (sekitar 1000 kali lebih kecil dari ketebalan rambut manusia) yang terbuat dari bahan keras (logam dan semikonduktor) dan bahan lunak (misalnya, organik).
Printer empat dimensi akan menjadi dasar generasi baru alat untuk pengembangan arsitektur, di mana bahan yang membentuk komponen fungsional elektronik dapat dikombinasikan dengan benda-benda biologis.
Bentuk memori
Model polimer yang dicetak pada printer 4D dikembalikan setelah deformasi.Kembali pada tahun 2013, para peneliti dari University of Colorado mengembangkan teknik pencetakan 4D dengan menggabungkan serat polimer dengan "efek memori bentuk" ke dalam bahan komposit yang digunakan dalam pencetakan 3D tradisional. Sebagai contoh penerapan teknologi, baterai surya mampu melipat dan membuka untuk transportasi, pelapis otomotif yang beradaptasi dengan lingkungan, serta seragam militer yang mengubah jenis kamuflase atau lebih efektif melindungi dari gas atau fragmen, disebut.
Tiga tahun kemudian, tim gabungan ilmuwan dari Universitas Teknologi dan Desain Singapura, MIT dan Institut Teknologi Georgia telah
mengembangkan metode pencetakan 4D baru berdasarkan paparan bahan peka cahaya dengan cahaya. Teknik pencetakan baru mampu menciptakan elemen setebal rambut manusia.
Solusi polimer fotosensitif dituangkan ke dalam printer dan objek yang diinginkan diproyeksikan lapis demi lapis, memproses material dengan sinar ultraviolet. Untuk memverifikasi bahwa polimer dapat pulih dari deformasi, para peneliti mencetak manipulator lunak, yang ditutup dalam keadaan bebas. Dengan itu, para ilmuwan berhasil menangkap benda-benda kecil (seperti sekrup).
Sudah pada tahap ini, teknologi serupa dapat diadaptasi untuk penggunaan nyata - misalnya, membuat kapsul yang melepaskan zat dengan peningkatan suhu tubuh.
Mencetak dalam pengobatan
Dokter dari Provinsi Shaanxi di barat laut Cina
melakukan operasi trakea yang sukses dan langka menggunakan teknologi cetak empat dimensi. Dokter memasukkan
stent trakea tubular
ke pasien untuk menjaga saluran udara tetap terbuka. Untuk produksi stent, biomaterial polycaprolactone digunakan, yang larut seiring waktu - biodegradasi dalam tubuh manusia terjadi secara perlahan, sekitar 3 tahun. Dokter telah menentukan waktu pembubaran stent yang dicetak, dan pasien tidak perlu menjalani operasi lain untuk mengeluarkannya.
Kasus serupa
terjadi di Amerika Serikat. Garrett Peterson dilahirkan dengan malformasi bronkomalasia, ketika tulang rawannya tidak cukup keras. Ventilasi bronkial terganggu, dan anak menghabiskan seluruh hidupnya di rumah sakit di Universitas Utah pada ventilasi buatan paru-paru yang mendukung kehidupan.
Sementara itu, di University of Michigan, mereka mengembangkan bus cetak tiga dimensi, yang akhirnya bisa runtuh di dalam tubuh tanpa konsekuensi, tetapi pada saat yang sama dapat menjaga saluran udara terbuka selama dua hingga tiga tahun - cukup untuk mengembalikan tulang rawan bronkial.
Setelah membuat model virtual, printer mencetak lapisan polycaprolactone dalam bentuk trakea tertentu. Meskipun proses pembuatan stent individual mungkin tampak sulit, hanya perlu satu hari.
Sangat mungkin bahwa biomaterial 4D cepat atau lambat akan jauh melampaui penyakit pernapasan. Masalah rekonstruksi wajah dan perbaikan telinga sudah dipelajari.
* * *
Secara umum, sebagian besar ilmuwan yang bekerja di bidang pencetakan empat dimensi memprediksi pertumbuhan eksplosif objek dan bahan pencetakan empat dimensi dalam lima tahun ke depan.