Impressão 4D:o futuro da impressão 3D

E se os canos pudessem consertar-se automaticamente se eles racharem ou quebrarem, ou as roupas podem mudar de acordo com o clima ou a atividade que o usuário está fazendo ? Móveis que se montam, próteses que se adaptam ao crescimento... Estas são apenas algumas das possíveis aplicações que a tecnologia de impressão 4D pretende realizar.

Imagem 1:Garra impressa em 4D modificando sua forma. Fonte:Sculpteo.

Impressão 3D existe há quase 30 anos e, embora ainda esteja em processo de pesquisa, descobrindo novos materiais e aplicações, novas tecnologias como 4D surgiram.

No Laboratório de Automontagem do MIT , eles desenvolveram um projeto do qual a impressão 4D faz parte. Seu objetivo é combinar tecnologia e design para inventar materiais programáveis e tecnologias de automontagem com o objetivo de reinventar a construção, a fabricação, a montagem e o desempenho do produto. Enquanto isso, um estudo do Wyss Institute (parte da Universidade de Harvard) conseguiu imprimir um objeto que, ao entrar em contato com a água, muda de forma e, resultando em uma espécie de floreio de suas pontas. Eles desenvolveram um material baseado em estruturas naturais, como plantas, que foi injetado com fibras de celulose durante o processo de impressão.

Vídeo 1:Arquitetura que muda de forma. Fonte:Universidade de Harvard.

O que é impressão 4D?

Inspirada no princípio da automontagem, a impressão 4D é o processo pelo qual um objeto impresso em 3D é transformado em uma estrutura diferente pela influência da entrada de energia externa, como temperatura, luz ou outros estímulos ambientais. Ou seja, obter um objeto através da tecnologia 3D que, graças às propriedades do material de que é feito, é capaz de mudar quando submetido a um estímulo ambiental.

Esta é precisamente a diferença entre a tecnologia 3D e 4D:a capacidade dos objetos de se transformarem ao longo do tempo sem intervenção humana.

Materiais usados

A chave para a impressão 4D não é tanto o processo , baseado nas conhecidas impressoras 3D, mas os materiais. Por se tratar de uma tecnologia relativamente nova, os materiais disponíveis não são tão variados quanto os utilizados para a impressão 3D padrão. No entanto, existem alguns muito interessantes.

SMP (polímeros com memória de forma)

Polímeros que permanecem rígidos à temperatura ambiente e oferecem propriedades especiais quando atingem o ponto de transição vítrea. Um exemplo seria o TPU SMP da Convena:um filamento 4D com uma composição baseada em TPU (poliuretano termoplástico) que permite o pós-processamento para modificar a forma das peças impressas em 3D. Graças à sua composição especial e à tecnologia Shape Memory Polymer, as peças impressas com este filamento podem ser modificadas manualmente, permitindo-lhes adquirir outra forma e mantê-la ao longo do tempo.

The process of modifying the shape of a 3D printed part with SMP TPU filament consists of placing the 3D printed part in a container of hot water until it reaches its glass transition temperature. At this point, the part softens and the user can easily modify its shape. Once cooled, the part maintains the acquired shape and remains stable. In addition, parts 3D printed with SMP TPU filament can be restored to their original shape by reversing the process. In other words, the material's glass transition temperature is reached again.

LCE (liquid crystal elastomers)

They contain liquid crystals that are sensitive to heat. By controlling their orientation, the desired shape can be programmed: under the effect of temperature, the material will relax and transform according to the dictated code.

Hydrogels

Polymer chains consisting mainly of water , particularly used in light-curing processes. The latter are focused on the medical sector due to their biocompatibility.

In addition, some 4D printing processes can use various materials, mainly composites such as wood or carbon, which are added to SMP or hydrogels. This results in objects with rigid and movable areas.

Applications

Given the many advantages of such intelligent materials, the applications of 4D printing are innumerable.

Construction

The construction of climate-adapted structures such as bridges, shelters or other facilities would be a huge step forward in this field. 4D bricks capable of modifying walls and roofs to suit the environment would allow indoor conditions to be modified and improved.

Video 2:Programmable wood. Source:Self-Assembly Lab, MIT.

Medicine

In this case, 4D printing offers the possibility to create tailor-made, intelligent and evolving devices. For example, by 4D printing an implant, its condition and viability could be more easily monitored once it is integrated into the patient.

This concept is applicable to all regenerative medicine and the fabrication of cellular structures. 4D printing would allow cells to adapt to the human body depending on its temperature, por exemplo. If we talk about medicines, it would be possible, for example, to print a device that would release the required dose depending on the patient's body temperature.

Transport

A few months ago, BMW and MIT presented their inflatable material, which changes shape and size under the effect of air pulses. The applications are very interesting, as in the future we could have tyres that can repair themselves in case of a puncture or adapt to the terrain and weather conditions of the environment.

In the case of the aircraft industry, a 4D printed component could react to atmospheric pressure or temperature changes and thus change its function. Airbus is currently working on such developments, as these components could replace hinges and hydraulic actuators, significantly lightening the devices . In addition, it is also working on the development of heat-reactive materials to cool its aircraft engines.

Raúl Pulido Casillas, a Spanish engineer, has created a 4D-printed smart fabric for NASA. The metallic mesh, made of silver pieces joined together, has thermal regulation programmed into its print. In other words, not only its shape has been printed, but also the function of the materials. As it is able to reflect heat on the outside and retain it on the inside, it could be an ideal element for making astronaut suits or covering spacecraft.

Fashion

In the textile industry, 4D printing is also finding its place. The possibility of printing shoes that adapt to movement, impact, temperature and atmospheric pressure is a possibility. The US military has already made a foray into this field and is testing uniforms that change colour depending on the environment, or that regulate perspiration depending on the soldier's pulse or the ambient temperature.

Although we are still in its infancy, it is certain that 4D technology will revolutionise the manufacture and nature of objects over the next few years, just as 3D printing did in its day.