4D-printing: de toekomst is flexibel

Zijn we net enigszins gewend aan 3D-printing, bonst zijn opvolger alweer op de deur. 4D-printing brengt interessante nieuwe mogelijkheden met zich mee, zeker nu allerlei nieuwe basismaterialen beschikbaar zijn.

Wat is 4D-printing?

Allereerst een korte uitleg, want het fenomeen 4D-printing is nog lang niet zo bekend als zijn 3D-broer. 4D-printing heeft niets te maken met een voor het menselijk oog onzichtbare vierde dimensie of gegoochel met tijd. Alhoewel, dat laatste wel enigszins. Want 4D-printing is het printen van voorwerpen die onder invloed van bepaalde omstandigheden kunnen veranderen in iets anders.

De truc zit daarbij altijd in het gebruikte materiaal. Dat is bij 4D-printing gevoelig voor bijvoorbeeld hitte, water of druk. Een 4D-geprint object verandert door die variabelen van vorm of structuur, zelfs lang nadat het uit de printer is gekomen. Soms kunnen voorwerpen zelfs weer terugkeren in hun oorspronkelijke vorm.

Het klinkt als spielerei, maar 4D-printing heeft wel degelijk nuttige toepassingen. Bijvoorbeeld in de bouw, medische wetenschap of ruimtevaart.

Materiaal als innovatie-driver

Hoe dan ook staat of valt de toepassing van de technologie met de kwaliteiten en eigenschappen van het materiaal. En op dat vlak zijn onlangs belangrijke ontdekkingen gedaan. Zo hebben wetenschappers een hydrogel ontwikkeld op basis van cellulose, dat grofweg dezelfde groei- en bloei-eigenschappen heeft als dat van bloemen en planten.

Door de cellen van die levensvormen na te bootsen, ontstaat materiaal dat kan vervormen en groeien in de tijd. De rangschikking van de cellen tijdens het printproces bepaalt hoe het geprinte materiaal zich uiteindelijk ontwikkelt. Via ingewikkelde formules kunnen wetenschappers die rangschikking nauwkeurig bepalen. En zo aansturen op de gewenste vervorming.

4D-Printing
Credit: Wyss Institute at Harvard University

Voorbeeld 1: gezondheidszorg

Dat opent allerlei deuren. Bijvoorbeeld door het gebruik van die hydrogel in het printen van menselijk weefsel. Geprinte organen en huid hebben mogelijk in de toekomst dergelijke eigenschappen en zo minder kans op afstoting door het lichaam. Wanneer deze 4D-technologie samenvalt met het printen van weefsel op moleculair niveau zijn de toepassingen eindeloos.

Voorbeeld 2: slimme textiel en ruimtevaart

Een andere mogelijke toepassing van 4D-printing is in ‘slim textiel’. Denk aan kleding dat zich aanpast aan de temperatuur, of zelfs meegroeit met de drager. Niet ondenkbaar is textiel dat zich aanpast aan extreme situaties als radiatie of omstandigheden op een andere planeet. Dat laatste is natuurlijk enorm waardevol voor de ruimtevaart.

Voorbeeld 3: ruimtevaart

Ook voor de energievoorziening in de ruimtevaart biedt 4D-printing interessante mogelijkheden. Ruimtestations zijn voor hun operaties grotendeels afhankelijk van zonne-energie. Via 4D-printing kunnen wetenschappers panelen ontwikkelen waarvan de vorm zich automatisch aanpast aan de lichtomstandigheden en dus zorgen voor een maximale opbrengst.

Er valt zelfs te denken aan panelen die zichzelf kunnen repareren, zodat menselijke interventie bij schade door rondvliegend puin niet nodig is. Voor het vervoer naar het ruimtestation kunnen deze panelen in een zo compact mogelijke initiële vorm worden uitgevoerd, waardoor ze zo min mogelijk brandstof verbruiken.

In de kinderschoenen

Momenteel is de wetenschap nog lang niet zo ver om 4D-printing optimaal te benutten. Veel ontwikkelde materialen bleken uiteindelijk flink te verzwakken na vervorming, of verloren na enkele transformaties hun kenmerkende eigenschappen.

Daarnaast is er nog lang niet alles uit reguliere 3D-printing gehaald en staat ook die technologie nog in de kinderschoenen. Zo duurt het nog zeker 5 tot 10 jaar voordat we complexe organen als een hart of lever kunnen printen, en ook printen op moleculair niveau staat nog maar net op de rol. Hoewel 3D-printing de wereld nu al ontegenzeggelijk voordelen biedt, blijven de ooit voorspelde revoluties in bijvoorbeeld de maakindustrie of zelfs de gehele economie nog enigszins uit. Toch liggen in 4D-printing mooie beloften besloten. We moeten alleen nog even geduld hebben.

Stephen Chadwick

Managing Director at Dassault Systèmes
Stephen Chadwick is Managing Director voor Noord-Europa bij Dassault Systèmes.