Czy drukarka 3D może wyprodukować wygodne ubranie? Może. Dowiedli tego Jessica Rosenkrantz i Jesse LouisRosenberg ze studia projektowego Nervous System. Najpierw zeskanowali ciało modelki w trzech wymiarach, używając w tym celu laserowego skanera. Potem zaprojektowali suknię składającą się z tysięcy połączonych ze sobą elementów. Została ona wydrukowana na drukarce 3D z plastiku w jednym płaskim „kawałku”. Po wyjęciu z urządzenia kreacja sama się uformowała, doskonale dopasowując się do kształtu ciała modelki. I choć powstała z plastikowych elementów, nie była sztywna ani niewygodna.

To jeden z pierwszych przykładów zastosowania druku 4D. Chodzi o to, by zmienić kształt i zachowanie obiektu, który wyprodukowała drukarka 3D. Czwartym wymiarem jest czas, w którym wydrukowany obiekt zmienia kształt i właściwości. Dzieje się tak pod wpływem zewnętrznych warunków. Obiekty wydrukowane w ten sposób potrafią zmieniać się w obecności wody czy powietrza, pod wpływem ciepła, pola magnetycznego, ciśnienia lub potrząsania.

W przyszłości taka technologia ma pozwolić na produkowanie ubrań „na miarę” co najmniej tak tanio jak obecnie w fabrykach. Przyszłość przemysłu odzieżowego zależy też od różnorodności materiałów reagujących na rozmaite bodźce. Ubrania dostosowujące swoją długość i kolor do miejsca i pory dnia, wzory z kwiatami, które otwierają się i zamykają w zależności od pory dnia, temperatury a nawet wilgotności – to tylko niektóre z pomysłów kreatorów czterowymiarowej mody.

Jednak zastosowań dla druku 4D jest znacznie więcej. „Biorąc pod uwagę szybkość rozwoju technologii, nietrudno sobie wyobrazić, że za 50 lat możemy drukować sobie także domy, samoloty i wiele innych niezbędnych produktów” – uważa prof. Chua Chee Kai, dyrektor centrum badawczego nad drukiem 3D i 4D na Uniwersytecie Technologicznym Nanyang w Singapurze.

Tworzywa bardziej inteligentne

Drukowanie trójwymiarowe robi się coraz bardziej popularne. Polega ono na tworzeniu przez maszynę obiektów na podstawie cyfrowego modelu. Tworzywem dla drukarki 3D mogą być plastiki, metale, papier, materiały ceramiczne, a nawet organiczne, np. żywe komórki.

Technologię tę z sukcesem wykorzystuje się do produkcji narzędzi, części zamiennych, protez czy modeli. Trójwymiarowe drukarki pracują coraz szybciej i taniej.

 

Koncepcja druku 4D jest bardzo młoda. Jako pierwszy w 2012 roku sformułował ją Skylar Tibbits, badacz pracujący w amerykańskim Massachusetts Institute of Technology (MIT). Jego zdaniem obiekty fizyczne i biologiczne można programować tak, żeby pod wpływem np. energii cieplnej czy wilgotności zachowywały się w z góry ustalony sposób. Mogą zmieniać kształt, właściwości lub samodzielnie się składać, tworząc nową strukturę. Potrzebne są do tego „inteligentne” materiały, precyzyjnie reagujące na warunki, w jakich się znajdują.

Wystarczy dodać wody Dysza drukarki 3D przesuwa się nad gładką powierzchnią. Wypływający z niej lawendowy żel warstwa po warstwie tworzy misterną strukturę. Kiedy płaski, przypominający ornament obiekt będzie gotowy, zostanie zanurzony w wodzie. Tam zacznie pęcznieć, aż rozwinie się z niego trójwymiarowa orchidea.Ten syntetyczny kwiat zaprojektowali naukowcy z Harvardu, zainspirowani zmiennością kształtów roślin. Opracowany przez nich żel – a dokładniej hydrożelowy atrament kompozytowy – zawiera włókna celulozy podobne do tych znajdujących się w tkankach roślin. Pod wpływem wilgoci ułożenie tych włókien zaczyna się zmieniać. Badacze z Harvardu twierdzą, że ich technologia może znaleźć zastosowanie przy produkcji inteligentnych tekstyliów, elektroniki, urządzeń biomedycznych oraz w dziedzinie inżynierii tkankowej. W ciągu ostatnich lat pojawiło się wiele tego typu projektów. Uczeni z uniwersytetu w Kolorado odkryli, że do druku można używać polimerów, które potem zmieniają kształt. Obiekt z nich wykonany będzie się kurczył, rozciągał, wyginał albo skręcał zależnie od potrzeb. Nad wykorzystaniem polimerów pracują również naukowcy z Singapuru, a inżynierowie z MIT opracowali elementy robotów, które składają się w całość, kiedy zostaną upieczone – czyli poddane działaniu wysokiej temperatury.

Dom zbuduje się sam

Badacze z australijskiego uniwersytetu Wollongong zauważyli, że chociaż wiele znanych dziś materiałów może zmieniać kształty, to dzieje się to bardzo powoli. W dodatku takie obiekty tracą także wytrzymałość np. na wielokrotne wyginanie. Dlatego uczeni z Australii wymyślili wytrzymały hydrożel, który nie ma tych wad. Może wielokrotnie zmieniać kształt w zależności od temperatury wody, w której się znajdzie. Kiedy przekracza ona 35 st. C, żel szybko zmniejsza objętość o niemal połowę. Na bazie tego materiału wydrukowano zawór, który zamyka się pod wpływem kontaktu z gorącą wodą, a otwiera się, kiedy temperatura spada.

Powstają już prototypy inteligentnych instalacji. Przykładem mogą być rury wodociągowe, które automatycznie zmieniają kształt tak, aby ułatwiać przepływ wody. Druk 4D może się przydać również producentom samochodów. Opony dostosowujące swoją wielkość i szerokość bieżnika do rodzaju podłoża, pogody czy prędkości pojazdu mogłyby ułatwić życie kierowcom.

Materiały o zmieniających się kształtach zrewolucjonizują także sposób, w jaki budujemy domy, fabryki czy magazyny. Dotyczy to zwłaszcza warunków ekstremalnych – takich, jakie panują na stacjach polarnych czy na obiektach pozaziemskich. Budowle mogłyby montować się same, bez udziału ludzi czy nawet robotów. Wojskowi są zainteresowani np. samoczynnie rozkładającymi się mostami, które ułatwiłyby żołnierzom pokonywanie rzek.

Jeżeli drukarki 3D uda się zminiaturyzować, rewolucja czeka także medycynę. Oznaczałoby to możliwość drukowania niewielkich fragmentów tkanek, które po umieszczeniu w organizmie zmieniałyby swój kształt tak, aby wpasować się w miejsce, które zostało uszkodzone przez uraz czy chorobę. Kolejnym krokiem byłoby poszerzanie możliwości ludzkiego ciała dzięki inteligentnym implantom, łączącym elementy biologiczne i mikroskopijną elektronikę.

 

Samoobsługowa przyszłość

Kiedy takie technologie staną się dostępne? Według raportu firmy badawczej Markets-and-Markets, wartość rynku druku 4D w ciągu najbliższej dekady ma przekroczyć 550 mln dolarów. Nie jest to imponująca kwota, ponieważ ta dziedzina będzie wymagała przede wszystkim dużych inwestycji. Chodzi między innymi o to, by poprawić precyzję działania i wydajność drukarek 3D.

Gdy to nastąpi, czeka nas kolejna rewolucja przemysłowa. Pierwsza była spowodowana mechanizacją produkcji, druga rozpoczęła się dzięki wprowadzeniu elektryczności i linii produkcyjnych. Teraz dzięki technologiom cyfrowym będzie można wytwarzać różne obiekty szybko, tanio i „na miarę”. Fabryki przyszłości będą dużo mniejsze, bez potężnych magazynów i zlokalizowane blisko swych odbiorców. Nietrudno zresztą wyobrazić sobie, że nawet te fabryki wybudują się same z elementów przygotowanych w innych fabrykach. Pytanie brzmi, jak zmieni to sposób, w jaki pracować będą ludzie...


DLA GŁODNYCH WIEDZY:

Studio, które zaprojektowało suknię 4D – www.n-e-r-v-o-u-s.com

Nasza audycja o druku 3D – www.bit.ly/c20d3d