V apríli 2013 usporiadal zakladateľ laboratória MIT Self-Assembly Lab Skylar Tibbits konferenciu TEDx, kde predstavil nový koncept procesu 3D tlače, ktorý prvý raz zaviedol do tejto technológie štvrtý rozmer.
Skylar Tibbits vysvetlil, že tlač 4D je ako pridanie novej funkcie k materiálu, ktorý by sa použil na 3D tlač, čiže ide o schopnosť materiálu časom zmeniť svoj tvar sám, bez zásahu človeka. Presnejšie povedané – zmeny nastanú vplyvom vonkajších faktorov, ako sú svetlo, teplo, vibrácie atď. Prirodzene, hmota na tlačenie musí obsahovať kompozitné materiály, vlákna s tvarovou pamäťou.
Umenie práce s polymérovými vláknami spočíva najmä v navrhnutí ich správnej architektúry, polohy, orientácie a zohľadnení ďalších kľúčových faktorov tak, aby sa dokázali poskladať, vytvoriť želaný tvar. Netreba azda ani hovoriť o budúcnosti využitia tejto atraktívnej technológie.
Zatiaľ čo 3D tlač vytvára objekty, ktoré si zachovávajú pevný tvar, objekt vytlačený v 4D mení nielen svoj tvar, ale aj farbu, veľkosť či spôsob, ako sa pohybuje.
Ako to funguje
Myšlienka samozostaviteľných materiálov nie je nová. Príroda využíva tento princíp na molekulárnej úrovni, kde molekuly tvoria zložité štruktúry bez zásahu človeka. Keď je teda možné, aby sa mikroštruktúry zostavovali a pohybovali samy osebe, prečo by to nemalo ísť aj pri väčších 3D tlačených objektoch?
Zatiaľ čo 3D tlač vytvára objekty, ktoré si zachovávajú pevný tvar, objekt vytlačená v 4D mení nielen svoj tvar, ale aj farbu, veľkosť či spôsob, ako sa pohybuje. Využíva materiály známe ako inteligentné, ktoré boli naprogramované na zmenu tvaru pod vplyvom vonkajšieho faktora, najčastejšie teploty tak, ako sa počítač riadi kódom. Kód vložený v materiáli poskytuje pokyny pre 3D tlačenú časť a tá po uvedení do činnosti aktivačných faktorov vykoná to, na čo je naprogramovaná.
4D materiály nie sú také rozmanité ako aditívne výrobné materiály, pretože táto technológia je ešte v plienkach. Máme napríklad k dispozícii pamäťové polyméry, čo sú materiály, ktoré dokážu vytvoriť naprogramovaný tvar, udržať ho určitý čas a pôsobením tepla sa vrátia do pôvodného tvaru bez zvyškových deformácií. Transformáciu môžu spôsobiť aj ďalšie nepriame podnety, akými sú magnetické pole, elektrické pole alebo ponorenie do vody.
Druhá skupina zaujímavých materiálov sú elastoméry s tekutými kryštálmi (LCE), ktoré, ako už názov napovedá, obsahujú tekuté kryštály citlivé na teplo. Požadovaný tvar sa naprogramuje ovládaním ich orientácie. Vplyvom teploty sa materiál rozširuje a mení podľa vloženého kódu.
Tretí materiál sú hydrogély, polymérne reťazce zložené hlavne z vody, používané najmä pri procesoch fotopolymerizácie. Sú veľmi zaujímavé pre lekársky sektor z dôvodu ich biokompatibility. Fotopolymerizácia je chemický proces ovplyvnený svetlom, pri ktorom sa molekuly základnej látky zlučujú do väčších celkov bez toho, aby vznikol nejaký vedľajší produkt.
Tlačiarenská hmota môže obsahovať aj uhlíkové alebo drevené vlákna, obľúbená je aj keramika.
Využitie
Poznanie materiálu je kľúčové. Treba vedieť, ako reaguje na určité podnety a ktoré technológie 3D tlače sú pre daný materiál vyhovujúce: stereolitografia, striekanie (pre všetky materiály), ťahanie roztaveného vlákna (práca s polymérmi). Pri tlačení sa používa 3D tlačiareň na príslušný typ tlače (podľa použitého materiálu) upravená pre potreby 4D tlače. Znamená to, že sa naraz tlačia dva materiály alebo sa v priebehu tlače zohrievajú či, naopak, chladia. Existuje mnoho metód pre rozličné špecifické potreby.
Človek je v eufórii z novej technológie schopný vymyslieť množstvo aplikácií, kde by sa dala využiť. Napríklad sektor stavebníctva, inšpirovaný prírodou, bude vytvárať tvary a štruktúry prispôsobujúce sa klimatickým podmienkam, Zaujímavé môže byť aj inteligentné potrubie. Tieto rúry by boli pod zemou schopné meniť tvar podľa objemu vody, ktorá nimi preteká, a neroztrhli by sa, naopak, dokázali by sa samy opraviť. Tým by sa zabránilo haváriám, rozkopaným cestám a nákladným opravám.
Spotrebný tovar sa bude prispôsobovať potrebám ľudí. Ak mate v kuchyni málo miesta, spotrebiče sa po použití natlačia do prázdneho kúta a vyplnia miesto, ktoré ste im na poličke určili.
Zdravotníctvo a doprava
Zdravotníctvo je kapitola sama osebe. Pri 4D tlači sa bude dať ľahšie kontrolovať vytlačený implantát, aký je jeho stav, ako sa integroval do do pacientovho organizmu. To platí pre celú regeneratívnu medicínu a prípravu bunkových štruktúr. 4D tlač umožní tlačiť napríklad krvné cievy, ktoré sa veľmi približujú prirodzeným cievam, pokiaľ ide o fyziológiu, funkciu či mechaniku fungovania.
Telesná teplota by mohla spôsobiť programované uvoľňovanie liečivej látky v tlačenej tabletke. Vedci predpokladajú, že sa im podarí polyméry správne navrhnúť tak, aby vytvorili zariadenie uvoľňujúce liečivo iba vtedy, keď stúpne telesná teplota a pacient bude mať horúčku.
Aj pneumatiky budúcnosti by mali byť zo samoopravovacieho materiálu, v prípade defektu by zbavili vodiča stresu, čo si teraz počať (veď v moderných autách už nie sú rezervné kolesá). Odpadlo by aj ustavičné letno-zimné prezúvanie, pretože pneumatiky by sa samy prispôsobili poveternostným podmienkam vrátane tých najextrémnejších. Nie je to tak dávno, čo BMW a Massachusettská technická univerzita (MIT) informovali o nafukovacom materiáli meniacom tvar a veľkosť pulzovaním prúdu vzduchu.
Letecký priemysel zasa dúfa, že sa mu podarí nájsť vhodný materiál na tlačené pánty, hydraulické ovládače a podobné komponenty, ktoré by značne znížili hmotnosť lietadiel.
Perspektívy
Výskumu 4D tlače sa venujú aj v laboratóriu Self-Assembly Lab na MIT. Tlač tekutého kovu môže vytvárať kovové predmety vo veľkosti od centimetrov až po metre v priebehu niekoľkých sekúnd až pár minút. Je to vlastne prvý tlačový proces schopný vyrobiť veľké 100 % recyklovateľné kovové predmety za niekoľko sekúnd. Tlač sa uskutočňuje vo forme kreslenia roztaveným kovom v práškovom prostredí, čo eliminuje potrebu tlačených podper, pomalých spekacích procesov alebo rôznych techník zvárania.
Využitie poznatkov z biochémie, mikrobiológie, fyziky či nanotechnológií s cieľom vývoja samozostaviteľných prvkov je unikátne a nadčasové. Hoci je technológia 4D tlače viac než sľubná, má ešte mnoho obmedzení, lebo nepoznáme odpovede na dôležité otázky: Akú životnosť bude mať inteligentný materiál? Ako dlho bude fungovať? Bude bezpečný pre zdravie ľudí a životné prostredie? Dokážeme ho recyklovať alebo ako sa bude po skončení životnosti zneškodňovať? Týchto informácií je momentálne poskromne, respektíve nie sú žiadne.
Nedá sa predpokladať rozšírenie 4D tlače na rovnakej úrovni, ako sa to podarilo jej o dimenziu nižšej predchodkyni. Predsa len inteligentný materiál, nové komponenty, iný spôsob tlače a ďalšie technické zložitosti prinášajú okrem toho aj potrebu ešte väčšej kontroly a etických pravidiel. No výskumy už teraz naznačujú, že ak tento spôsob tlače úspešne prejde testami bezpečnosti, máme sa na čo tešiť.
Jana Matejíčková
Foto Adidas, NASA, archív
