الطباعة رباعية الأبعاد: كل ما تريد معرفته في عام 2023

تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد موجودة منذ ما يقرب من 30 عامًا حتى الآن. ومع ذلك ، بينما لا تزال صناعة التصنيع المضافة تكتشف تطبيقات جديدة ومواد جديدة وطابعات ثلاثية الأبعاد جديدة ، تظهر تقنية أخرى.

يطلق عليها 4D Printing وتأتي مباشرة من المستقبل! كيف نضيف البعد الرابع للطباعة ثلاثية الأبعاد؟ حتى لو قدمنا لك سابقًا كيفية تغيير شكل المواد باستخدام هذه التقنية ، في منشور المدونة هذا ، سننتقل معًا من خلال تقنية الطباعة رباعية الأبعاد نفسها ، ونبحث في إمكاناتها وتطبيقاتها المستقبلية.

ما هي الطباعة رباعية الأبعاد؟
الطباعة رباعية الأبعاد هي العملية التي من خلالها يحول كائن مطبوع ثلاثي الأبعاد نفسه إلى بنية أخرى على تأثير مدخلات الطاقة الخارجية مثل درجة الحرارة أو الضوء أو المحفزات البيئية الأخرى.

هذه التقنية جزء من مشروع مختبر التجميع الذاتي في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. الغرض من هذا المشروع هو الجمع بين التكنولوجيا والتصميم لابتكار تقنيات التجميع الذاتي والمواد القابلة للبرمجة بهدف إعادة تصور البناء والتصنيع وتجميع المنتجات والأداء.

في الفيديو أعلاه ، نرى هيكلًا مطبوعًا بشكل مسطح ، بمجرد وضعه في الماء الساخن ، يطوي نفسه ببطء في هيكل آخر. الفيديو أدناه هو اختبار من مختبر MIT Selfassembly الذي يوضح وظيفة تحويل الشكل: الطباعة رباعية الأبعاد: مكعب السطح القابل للطي من مختبر MIT للتجميع الذاتي

طباعة رباعية الأبعاد: مكعب سطحي قابل للطي من مختبر التجميع الذاتي لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا

ما الفرق بين الطباعة ثلاثية الأبعاد والطباعة رباعية الأبعاد؟
من الواضح أن الطباعة رباعية الأبعاد بها حرف “D” أكثر من الطباعة ثلاثية الأبعاد. ماذا يعني ذلك ولماذا يضيف الكثير من القيمة المضافة للتكنولوجيا؟ تتعلق الطباعة ثلاثية الأبعاد بتكرار بنية ثنائية الأبعاد ، طبقة تلو الأخرى في مسار طباعة ، من الأسفل إلى الأعلى ، طبقة تلو الأخرى حتى يتم إنشاء حجم ثلاثي الأبعاد. يشار إلى الطباعة رباعية الأبعاد باسم تحويل الطباعة ثلاثية الأبعاد بمرور الوقت. وهكذا يضاف بعد رابع: الوقت. لذلك ، فإن الإنجاز الكبير حول تقنية الطباعة رباعية الأبعاد على تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد هو قدرتها على تغيير الشكل بمرور الوقت.

يلتقط القابض المطبوع رباعي الأبعاد شيئًا عندما تكون درجة الحرارة مثالية
يلتقط القابض المطبوع رباعي الأبعاد شيئًا عندما تكون درجة الحرارة مثالية

تتم طباعة كائن مطبوع رباعي الأبعاد تمامًا مثل أي شكل مطبوع ثلاثي الأبعاد. الفرق هو أن تقنية الطباعة رباعية الأبعاد تستخدم مواد قابلة للبرمجة ومتقدمة تؤدي وظائف مختلفة عن طريق إضافة الماء الساخن أو الضوء أو الحرارة. هذا هو السبب في أن الكائن غير الحي يمكنه تغيير شكله وسلوكه ثلاثي الأبعاد بمرور الوقت.

كيف تعمل الطباعة رباعية الأبعاد؟
تستخدم تقنية الطباعة رباعية الأبعاد طابعات تجارية ثلاثية الأبعاد ، مثل طابعات Polyjet ثلاثية الأبعاد. المدخلات عبارة عن “مادة ذكية” ، يمكن أن تكون إما هيدروجيل أو بوليمر ذاكرة الشكل. بفضل خصائصها الحرارية الميكانيكية وخصائص المواد الأخرى ، تُمنح المواد الذكية سمات تغيير الشكل ويتم تمييزها عن مواد الطباعة ثلاثية الأبعاد الشائعة.

من ناحية أخرى ، تتميز الكائنات المطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد بالصلابة. هذا يعني أن الكائنات المطبوعة ثلاثية الأبعاد ستحتفظ بشكلها ثلاثي الأبعاد بمجرد طباعتها.

مزايا الطباعة رباعية الأبعاد
تغيير الحجم
الميزة الأكثر وضوحًا للطباعة رباعية الأبعاد هي أنه من خلال الطي الحسابي ، يمكن طباعة الكائنات الأكبر من الطابعات كجزء واحد فقط. نظرًا لأن الكائنات المطبوعة رباعية الأبعاد يمكن أن تغير شكلها ، ويمكن أن تتقلص وتتفتح ، يمكن ضغط الكائنات الكبيرة جدًا بحيث لا تلائم الطابعة للطباعة ثلاثية الأبعاد في شكلها الثانوي.

مواد جديدة = خصائص جديدة
ميزة أخرى لتقنية الطباعة رباعية الأبعاد هي استخدام المواد التطبيقية الممكنة. تتمتع الطباعة رباعية الأبعاد بإمكانية هائلة لإحداث ثورة في عالم المواد كما نعرفه اليوم. تخيل أن يتم تطبيق الطباعة رباعية الأبعاد على مجموعة متنوعة من المواد الذكية التي لا يمكننا حتى تخيلها اليوم!

حتى الآن ، رأينا تجارب على بوليمرات ذاكرة ذات شكل متعدد المواد. المواد مثل تلك المعروضة في الفيديو أدناه ، “تذكر” شكلها ، وتحويل التكوينات بنشاط بمرور الوقت استجابة للمحفزات البيئية. سيشبه هذا البوليمر ذي الشكل الذكري الأشكال القابلة للتخصيص وهو أمر مهم جدًا لصناعة الصحة. على سبيل المثال ، يمكننا أن نجعل الأجهزة التي ستغير شكلها تطلق الدواء عندما يقل عدد المرضى.

التطبيقات المحتملة للطباعة رباعية الأبعاد
توضح مقاطع الفيديو أعلاه بطريقة بسيطة للغاية عملية الطباعة رباعية الأبعاد. على الرغم من أنه حتى لو لم تتميز هذه الأمثلة بتعقيد كبير ، يمكننا توقع إمكانات كبيرة في هذه التكنولوجيا.
نظام أنابيب الإصلاح الذاتي
يتمثل أحد التطبيقات المحتملة للطباعة رباعية الأبعاد في العالم الحقيقي في أنابيب نظام السباكة التي تغير قطرها ديناميكيًا استجابةً لمعدل التدفق والطلب على المياه

. الأنابيب التي يمكن أن تلتئم نفسها تلقائيًا في حالة تصدعها أو كسرها ، نظرًا لقدرتها على التغيير استجابة لتغير البيئة.
أثاث التجميع الذاتي
نظرًا لأن أثاث الطباعة ثلاثية الأبعاد مقيد بحجم الطابعة ، فإن الطباعة رباعية الأبعاد يمكن أن تسمح فقط بطباعة لوحة مسطحة تلتف إلى كرسي بمجرد إضافة الماء أو الضوء إليها. تخيل أنها نسخة أكثر تعقيدًا من الفيديو أدناه. خشب قابل للبرمجة من مختبر التجميع الذاتي ، معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.
طباعة XL 4D في الظروف القاسية
طباعة رباعية الأبعاد: سطح إلى موجة جيبية من مختبر التجميع الذاتي ، معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. ستكون الطباعة رباعية الأبعاد أكثر فائدة في المشاريع الكبيرة الحجم. على سبيل المثال ، في البيئات القاسية ، مثل الفضاء ، يمكن أن يكون لها تطبيقات واعدة جدًا. في الفضاء ، تتسبب عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد للمبنى حاليًا في بعض المشكلات المتعلقة بالتكلفة والكفاءة واستهلاك الطاقة. لذلك ، بدلاً من استخدام المواد المطبوعة ثلاثية الأبعاد ، يمكن استخدام المواد المطبوعة رباعية الأبعاد للاستفادة من شكلها القابل للتحويل. يمكنهم توفير الحل لبناء الجسور أو الملاجئ أو أي نوع من المنشآت ، حيث يمكنهم بناء أنفسهم أو إصلاح أنفسهم في حالة حدوث أضرار بسبب الطقس.
الصناعة الطبية
من ناحية أخرى ، تخيل أن الطباعة رباعية الأبعاد يتم تطبيقها على نطاق صغير جدًا ، في قطاعات مثل القطاع الطبي. يمكن أن تكون البروتينات المطبوعة رباعية الأبعاد تطبيقًا رائعًا ، كما هو موضح في مثال البروتين المعاد تكوينه ذاتيًا في الفيديو التالي. يعمل باحثو المواد الخاصة الآخرون على بروتين selffolding. طباعة رباعية الأبعاد: بروتين قابل للطي ذاتيًا من مختبر التجميع الذاتي ، معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. تطبيق آخر للطباعة رباعية الأبعاد في المجال الطبي يمكن أن يكون تصميم الخُطبات. ستنطلق الدعامات المبرمجة في جسم الإنسان ، وعندما تصل إلى وجهتها ، تنفتح.
موضة
يمكن للطباعة 4D أيضًا تغيير وجه الموضة. يدرس معمل الطباعة ذات التجميع الذاتي من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا التطبيقات المحتملة لتقنيات رباعية الأبعاد. تتمثل إحدى الأفكار في أن الملابس يمكن أن تتغير وفقًا للطقس أو النشاط. على سبيل المثال ، يمكن أن تغير الأحذية شكلها عند بدء الجري لتوفر لك راحة أفضل واستهلاكًا أفضل.
بحث الطباعة 4D الحالي
معمل التجميع الذاتي التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا
يعد معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا رائدًا في العديد من ابتكارات الطباعة ثلاثية الأبعاد ، وبالتأكيد لا تتوقف عند هذا الحد. وجد الأستاذ المساعد سكايلر تيبيتس مختبر طباعة التجميع الذاتي. منذ عام 2014 ، عملت Tibbits مع Autodesk على دراسة الهياكل المطبوعة ثلاثية الأبعاد وسلوكها بعد الطباعة. أحد مشاريعهم هو الملابس القابلة للتعديل المذكورة أعلاه.

معهد Wyss بجامعة هارفارد للهندسة المستوحاة من الناحية البيولوجية

تم إنشاء مجموعة من الباحثين في معهد Wyss بجامعة هارفارد للهندسة المستوحاة بيولوجيًا لتطوير مادة خاصة تسمى هيدروجيل. المادة مستوحاة من الزهور التي تغير شكلها حسب البيئة. وهي تتألف من ألياف السليلوز من الخشب. والغرض منها هو أن تشبه الهياكل الدقيقة للزهور التي تعطي الأزهار القدرة على تغيير الشكل. تثبت التقارير العلمية مدى ثورية الطباعة رباعية الأبعاد.
يمكن للهيدروجيل بعد ذلك تقليد قدرة الأزهار على تعديل بنيتها اعتمادًا على درجة الحرارة والرطوبة وما إلى ذلك. تتيح الطباعة ثلاثية الأبعاد للعلماء تصنيع تصميمات معقدة باستخدام الهيدروجيل.

جامعة ولونجونج
طور فريق من العلماء في جامعة ولونغونغ في أستراليا أول صمام ماء مطبوع رباعي الأبعاد. إنه إنجاز كبير حيث يغلق الصمام نفسه عند سكب الماء الساخن عليه ويتسع عندما تنخفض درجة الحرارة. هذه الظاهرة ممكنة بفضل حبر الهيدروجيل المطبوع ثلاثي الأبعاد والذي يتفاعل بسرعة مع درجات الحرارة المرتفعة.

جامعة سنغافورة للتكنولوجيا والتصميم
تناول باحثون من جامعة سنغافورة للتكنولوجيا والتصميم قضية أخرى تتعلق بالطباعة رباعية الأبعاد: تسويقها. تكمن المشكلة في المواد التي يكون الإنتاج معقدًا. قرر هذا الفريق استخدام طابعة ثلاثية الأبعاد متعددة المواد ومتوفرة تجاريًا والجمع بين 5 خطوات لإعداد المواد في خطوة واحدة فقط!
قدموا هذا التطور من خلال الطباعة رباعية الأبعاد لنجمة مسطحة تنحني وتتحول إلى أشياء تشبه الزهور عند وضعها في الماء الساخن.

هل يمكنك بدء الطباعة رباعية الأبعاد؟
كل هذه التطبيقات المحتملة تبدو ملهمة للغاية وواعدة للمستقبل بالفعل! جميع الأبحاث التي تم إجراؤها حتى الآن حول خصائص المواد المطبوعة ثلاثية الأبعاد لديها الكثير لتقدمه لصناعة المواد المضافة وبالتأكيد تساهم في نموها.

حتى لو كنا في بداية تقنية الطباعة رباعية الأبعاد ، لا يسعنا الانتظار لنرى كيف ستؤثر على مستقبل التصنيع الإضافي ، تمامًا مثل الطباعة ثلاثية الأبعاد التي أحدثت ثورة في التصنيع التقليدي.

لا تزال الطباعة رباعية الأبعاد تتطلب مزيدًا من البحث والتطوير وهي ليست متاحة للجميع. ومع ذلك ، فإن الطباعة ثلاثية الأبعاد موجودة في جهاز الكمبيوتر الخاص بك! من خلال خدمة الطباعة ثلاثية الأبعاد عبر الإنترنت ، يمكنك الحصول على النماذج ثلاثية الأبعاد الخاصة بك بأعلى جودة في أي وقت من الأوقات. تعرف على المزيد حول موادنا واختر الأفضل لمشروعك!