Будущее наступило, и оно принимает форму 4D-печати. Эта новая технология, также известная как системы изменения формы, добавляет измерение времени к 3D-печати. Используя реагирующие материалы, которые реагируют на внешние факторы, такие как тепло, свет, влажность, электрический ток или давление, объекты, напечатанные с помощью 4D-печати, могут изменять свою форму или свойства. Представьте себе умную текстильную ткань, которая регулирует свою воздухопроницаемость в зависимости от уровня влажности, или систему водоснабжения, которая расширяется или сжимается в ответ на колебания температуры. Хотя 4D-печать еще находится на ранних стадиях развития, легко представить, какое огромное влияние она может оказать на различные отрасли. Чтобы лучше понять ее потенциал, мы проконсультировались с рядом экспертов в области аддитивного производства. Вот что они сказали о системах изменения формы и отраслях, которые эта технология может трансформировать.

Здравоохранение

Обычные имплантаты часто сталкиваются с ограничениями из-за их жестких структур. Здесь 4D-печать может внести изменения. Благодаря способностям к изменению формы эти имплантаты могут потенциально адаптироваться к телу пациента со временем. Например, врачи могут напечатать зубные имплантаты, которые расширяются и сжимаются, чтобы идеально соответствовать челюсти пациента.

Роберт Джонс, инженер по производству в Nissha Medical Technologies, уверен, что преимущества 4D-печати выйдут за пределы имплантатов. "Эта технология может использоваться для контроля высвобождения лекарства в организме с исключительной точностью," — говорит Джонс. "Влияние этого на медицину будет колоссальным." Как описано в этом исследовательском документе, ученые уже разрабатывают 4D-печатные гидрогели, предназначенные для стимул-чувствительной и целевой доставки лекарств. Эти гидрогели могут реагировать на изменения в жизненно важных показателях пациента, такие как температура тела, уровень pH, кровяное давление или присутствие определенных ферментов, и высвобождать лекарства в нужное время и в нужном месте. Эта технология может оказаться спасительной для пациентов с сердечными заболеваниями, которым требуется своевременный доступ к лекарствам.

Аэрокосмическая отрасль

Аэрокосмическая отрасль может получить значительные преимущества от технологий 4D-печати. Компоненты с изменением формы могут позволить самолетам адаптироваться к различным условиям полета, снижать сопротивление воздуха и повышать производительность и топливную эффективность. Как подчеркивают исследования Университета Конкордии, 4D-печатные крылья дронов, которые изгибаются до 20 градусов в ответ на стимулы, могут значительно улучшить эффективность. Кроме того, 4D-печатные материалы могут помочь разработать легкие, гибкие конструкции для спутников и космических кораблей, что в конечном итоге снизит затраты и сложность, связанные с космическими миссиями.

Адриан Нордтоме, директор APAPTA LTD, считает, что преимущества 4D-печати не будут ограничены только аэрокосмической отраслью, но также окажут влияние на другие транспортные отрасли. "Я считаю, что 4D-печать может быть особенно интересной в приложениях, где к объекту применяется электрический ток, а не тепло или свет," — говорит Нордтоме. "Это особенно актуально для автомобильной, аэрокосмической и морской отраслей, где есть большой интерес к манипулированию структурами для аэродинамических целей."

Одежа

Системы изменения формы позволят дизайнерам создавать одежду и аксессуары, которые адаптируются как к внешним факторам, так и к предпочтениям носителя. Несколько исследователей и брендов, включая Adidas, в настоящее время изучают разработку 4D-печатных обуви. Спроектированные так, чтобы адаптироваться к уникальной форме и движению стоп пользователя, эти туфли предложат превосходную посадку, амортизацию, теплоизоляцию и воздухопроницаемость. Потенциальные преимущества этой технологии могут дать конкурентное преимущество спортсменам.

Эксперт по 3D-печати в Protolabs Network Робин Брокеттер подчеркивает, как 4D-печатные текстили будут расширять границы дизайна и функциональности в модной индустрии. Он объясняет: "Представьте себе пальто, которое адаптируется к холоду, становясь толще, или туристическое снаряжение, которое увеличивает свою воздухопроницаемость при потоотделении. Точно так же 4D-печатное платье могло бы динамически изменять свою текстуру или форму в зависимости от движений носителя, создавая плавный, постоянно меняющийся дизайн."

Мебель

4D-печать открывает возможность для самосборной мебели. Вместо того чтобы тратить часы на следование инструкциям и возиться с инструментами, потребители могут наблюдать, как их новый предмет мебели собирается самостоятельно. Этот упрощенный процесс сборки не только экономит время и усилия, но и делает бытовые товары более доступными. Чтобы лучше понять эту концепцию, посмотрите следующее видео о самосбирающемся кубе из MIT.

Франческо Ривалта, механический инженер в Protolabs Network, считает, что системы изменения формы могут преобразить мебельную отрасль. "Это может стать следующим большим шагом после концепции плоской упаковки мебели. Представьте себе сборку стула, используя только тепло от фена."

Упаковка

С использованием технологий 4D-печати можно разработать упаковку, способную защищать содержимое от внешних факторов, таких как дождь, экстремальный холод или тепло. Кроме того, эта технология может автоматизировать процесс упаковки, позволяя ей адаптироваться к внешним факторам.

Основываясь на своем опыте в производстве в Nissha Medical Technologies, Джонс согласен. Он объясняет: "Можно сделать упаковочный материал, который хранится в плоских листах, но когда продукт помещается на него и подвергается свету, теплу или другому стимулу, он самозаворачивается и снижает количество трудозатрат, затрат и времени на упаковку товаров, которые не помещаются легко в стандартную коробку."

Форма вещей будущего

Исследования в области систем изменения формы возглавляет MIT Self-Assembly Lab в сотрудничестве со Stratasys и Autodesk. В последние годы достигнуты многочисленные прорывы в разработке самосбирающихся и изменяющих форму материалов с широким спектром возможных применений. Текущие инновации — это только начало. По мере развития технологии появятся еще больше возможностей.

Александру Тилита, президент и генеральный директор 3DK Tech, говорит, что наибольшей проблемой для систем изменения формы будет их внедрение. "Технология действительно может способствовать созданию новых концепций, однако нахождение промышленного применения является ключом к ее более широкому принятию. Трансформация может произойти только если ее примут ключевые игроки на рынке и если она сможет быть масштабирована в значительных масштабах. Я ожидаю, что 4D-печать окажет реальное воздействие только через 10-15 лет." В то же время, как и сама технология, инженеры могут работать над адаптацией к меняющемуся ландшафту, чтобы расширить границы возможного.