4D 인쇄 (4D 인쇄, 활성 종이 접기, 또는 형상 – 변형 시스템으로도 알려져 있음)는 3 차원 물체를 만들기 위해 연속적인 층에 재료를 컴퓨터로 프로그래밍하여 3D 인쇄의 동일한 기술을 사용합니다. 그러나 4D 인쇄는 시간 경과에 따른 변환 차원을 추가합니다. 따라서 제조 공정 후에 인쇄 된 제품은 환경 (습도, 온도 등) 내의 매개 변수와 반응하여 그에 따라 형태를 변경하는 프로그램 가능한 물질 유형입니다. 그렇게 할 수있는 능력은 마이크로 미터 해상도에서 거의 무한한 구성으로 발생하여 공학적으로 분자 공간 분포가있는 고체를 만들어 전례없는 다기능 성능을 가능하게합니다. 4D 인쇄는 생물 공학, 재료 과학, 화학 및 컴퓨터 과학과 같은 분야의 새로운 패러다임으로 빠르게 부상하는 생물 공학 기술의 비교적 새로운 진보입니다.
4 차원 인쇄는 3 차원 인쇄와 마찬가지로 레이어별로 재료를 적용하여 3 차원 물체 (공작물)를 생성하는 프로세스이지만 여기에도 완성 된 공작물에 대해서는 4 차원 (시간)이 고려됩니다. 결과적으로 물체, 물체, 열, 진동 또는 소리 (지능형 물질)와 접촉 할 때와 같이 특정 감각 방아쇠를 사용하여 물체를 움직이거나 변경할 수 있습니다. 4D 인쇄는 개발 초기 단계이며 생명 공학, 재료 과학 및 공학, 화학 및 컴퓨터 과학 및 엔지니어링과 같은 여러 과학을 결합합니다.
가상 응용 프로그램
가능한 응용 분야는 다음과 같습니다.
주택 및 정원 (예 : 가구의 자동 건축, 적응 잔디밭)
건물 보안, 건축, 환경 보호 및 에너지 기술 (예 : 자체 재생 파이프)
의류 및 섬유 산업 (예 : 날씨 적응)
항공 우주 공학, 운송 및 교통 공학 (예 : 환경 조건에 대한 물질의 적응, 형태를 변화시키는 우주복, 자기 방어 장벽)
의료 기술 및 생물학 (예 : 성장 임플란트, 생물 공학자)
인쇄 기술
광 조형 기술 (Stereolithography)은 광중합을 사용하여 층 위에 레이 업 된 기판을 바인딩하여 고분자 네트워크를 만드는 3D 인쇄 기술입니다. 압출 소재가 즉시 층을 형성하기 위해 경화되는 융착 모델링과는 달리, 4D 인쇄는 기본적으로 인쇄 공정이 완료된 후 자외선이 적층 재료를 경화시키는 데 사용되는 광 조형 기술에 기반을두고 있습니다. 이방성은 완성 된 인쇄물에 방향성이 포함되도록 마이크로 머티리얼을 정렬하여 주어진 조건에서 변형의 방향과 크기를 설계하는 데 중요합니다.
패턴 기반 4D 인쇄
4D 인쇄를 통해 맞춤형으로 설계된 부드러운 구조물에서 공간 자체 굽힘 작동을 제어하기위한 신속하고 정확한 제조 방법을 얻을 수 있습니다. 공간적 및 시간적 변형은 액정 젤 상 변이, 열팽창 계수, 열전도 불일치, 2 층 또는 복합 비임의 다양한 팽창 및 비 팽윤 비율과 같은 몇 가지 작동 메커니즘을 통해 실현 될 수 있습니다. 모델 4D 인쇄에 대한 한 가지 접근법은 4D 인쇄 제품의 응답 시간과 굽힘 각도에 영향을 미치는 서로 다른 공간 패턴의 힌지와 같은 3D 인쇄 매개 변수를 제어하는 것입니다. 3D 인쇄 패턴을 통합 한 형상 기억 폴리머 팬의 물리적 특성에 대한 매개 변수 모델이 개발되었습니다. 제안 된 모델은 실험적 연구와 우수한 질적 일치를 갖는 액추에이터의 최종 형상을 예측한다. 이러한 검증 된 결과는 기능적 패턴 기반 4D 인쇄 디자인을 안내 할 수 있습니다.
광섬유 아키텍처
대부분의 4D 인쇄 시스템은 크기와 재료 특성이 다른 섬유 네트워크를 사용합니다. 4D 인쇄 된 구성 요소는 마이크로 스케일뿐 아니라 매크로 스케일로도 설계 할 수 있습니다. 마이크로 스케일 설계는 샘플에 사용 된 모든 재료의 응집 된 재료 특성을 근사화하는 복잡한 분자 / 섬유 시뮬레이션을 통해 달성됩니다. 이러한 재질 빌딩 블록의 크기, 모양, 모듈러스 및 연결 패턴은 자극 활성화 아래 변형 형상과 직접적인 관계가 있습니다.
하이드로 반응성 폴리머 / 하이드로 겔
Skylar Tibbits는 MIT의 Self-Assembly Lab의 이사이며 Stratasys Materials Group과 협력하여 친수성이 높은 원소와 비 활성, 강성 요소로 구성된 복합 고분자를 생산했습니다. 이 두 개의 서로 다른 요소의 고유 한 특성으로 인해 인쇄 체인의 특정 부분이 최대 150 % 팽창 할 수 있었지만 단단한 요소는 변형 된 체인의 구조 및 각도 제한을 설정했습니다. Tibbits et al. 물에 잠길 때 “MIT”라는 철자를 만들었고 같은 조건에 처했을 때 와이어 프레임 큐브에 변형되는 또 다른 체인을 만들었습니다.
셀룰로오스 복합 재료
Thiele et al. 습도에 반응 할 수있는 셀룰로오스 기반 소재의 가능성을 모색했다. 그들은 양쪽에 서로 다른 치환도를 가진 셀룰로오스 스테아로 일 에스테르를 사용하여 이중층 필름을 개발했습니다. 하나의 에스테르는 치환도가 0.3 (높은 친수성)이고 다른 하나는 치환도가 3 (높은 소수성)이었습니다. 샘플을 50 ° C에서 22 ° C로 냉각 시켰을 때 상대 습도가 5.9 %에서 35로 증가했을 때 %의 경우, 소수성 측이 수축되고 친수성 측이 팽윤되어 견본이 팽팽하게 늘어났다. 이 과정은 온도와 습도 변화를 되 돌리면 샘플이 다시 풀릴 수 있기 때문에 뒤집을 수 있습니다.
이방성 팽윤 (anisotropic swelling)과 인쇄 된 원 섬유 (printfibrils) 정렬의 이해 A. Sydney Gladman et al. 식물의 nastic 행동을 모방. 가지, 줄기, 포엽 및 꽃은 습기, 빛 및 접촉과 같은 환경 적 자극에 반응하며 세포 벽과 조직 구성의 내부적 인 팽창을 변화시킵니다. 이 연구팀은 선행 연구를 통해 전형적인 세포벽의 구조를 모방 한 국소 이방성 팽창 거동을 가진 복합 하이드로 겔 구조를 개발했습니다. 셀룰로오스 피 브릴은 인쇄 과정에서 고 종횡비 (~ 100) 및 100 GPa 규모의 탄성률을 지닌 미세 피 브릴로 결합됩니다. 이러한 마이크로 피 브릴은 구조를 위해 연질 아크릴 아미드 매트릭스에 묻혀 있습니다. 이 하이드로 겔 복합체를 인쇄하는 데 사용되는 점탄성 잉크는 N, N- 디메틸 아크릴 아미드, 나노 클레이, 글루코스 산화 효소, 포도당 및 나노 섬유 화 셀룰로오스의 수용액입니다. 나노 클레이는 액체 흐름을 개선하는 유변학 적 보조제이며, 포도당은 재료가 자외선으로 경화 될 때 산소 억제를 방지합니다. 이 잉크를 사용해 실험 한 결과, 셀룰로오스 피 브릴의 방향을 결정하는 인쇄 경로에 대한 이론적 모델을 만들었습니다. 여기서 인쇄의 아래쪽 레이어는 x 축에 평행하고 인쇄의 상단 레이어는 각도로 반 시계 방향으로 회전합니다 θ. 샘플의 곡률은 탄성 계수, 팽창비 및 층 두께와 이중층 두께의 비율에 따라 달라집니다. 따라서, 평균 곡률 및 가우스 곡률을 설명하는 조정 된 모델은 각각,
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Gladman et al. θ가 0 °에 가까워지면 곡률은 고전적인 Timoshenko 방정식을 근사하고 바이메탈 스트립과 유사하게 수행된다는 것을 발견했습니다. 그러나 θ가 90 °에 가까워지면 곡률이 새들 모양으로 변합니다. 이를 이해하면 팀은 이방성의 영향을 신중하게 제어하고 대칭 선을 끊어서 나선형, 괘선 모양 등을 만들 수 있습니다.
David Correa et al. 물을 흡수 할 때 인쇄 된 입자 방향과 이방성 팽창에 따라 모양이 바뀌는 목재 복합 재료로 작업하고 있습니다. 이 작품은 3D 인쇄이며 마이크로 스케일이 아닌 거시 스케일로 연구되었으며, 층 높이는 마이크론이 아닌 밀리미터 단위로 분석됩니다. 이 연구에서 사용 된 필라멘트는 60 % 코 폴리 에스테르와 40 % 셀룰로오스 인 목재 복합재입니다. 코 폴리 에스테르는 셀룰로오스를 함께 결합시키는 반면 셀룰로오스는 복합체에 흡습성을 제공한다. 이러한 종류의 인쇄를 위해 두 가지 방법이 개발되었습니다. 첫 번째 방법은 목재 복합 재료만을 사용합니다. 그레인 패턴, 그레인 방향, 인쇄 레이어 두께 및 프린트 레이어 상호 작용을 제어하여 설계된 변형 모양이 인쇄됩니다. 이 방법에서, 흡습성 벤딩은 결정 방향에 수직으로 일어난다. 두 번째 방법은 목재 복합재와 표준 3D 인쇄 플라스틱을 모두 사용합니다. 이것은 물에 노출되었을 때 팽창하지 않는 비 흡습성 재료의 분리 층을 도입 한 첫 번째 방법의 확장입니다. 이 아이디어는 상대 팽창을 기반으로 한 열 바이메탈 특성에 대한 이전 연구를 바탕으로합니다. 흡습 굴곡은이 방법의 인쇄 물이 물에 노출되었을 때 목재 복합 층 내에서만 발생합니다. 따라서, 변형 형태는 목재 복합 층의 재료뿐만 아니라 재료 층의 패터닝의 산물이기 때문에 목재 복합재 구조보다 더 빠르고 더 심각한 변형을 제공합니다. 두 가지 방법 모두 습기에 노출 될 때 재료가 변형 될뿐만 아니라 형상을 회복 할 수 있습니다. 따뜻한 물에 인쇄물을 완전히 담그면 모양이 가장 빨리 변합니다.
열 반응성 중합체 / 하이드로 겔
폴리 (N- 이소 프로필 아크릴 아미드), 또는 pNIPAM은 일반적으로 사용되는 열 응답 물질입니다. pNIPAM의 하이드로 겔은 32 ℃의 낮은 임계 용액 온도의 수용액에서 친수성 및 팽창합니다. 위의 온도는 하이드로 겔을 탈수하고 수축을 유발하여 형태 변형을 일으 킵니다. pNIPAM과 4- 하이드 록시 부틸 아크릴 레이트 (4HBA)와 같은 다른 폴리머로 구성된 하이드로 겔은 강한 가역성을 나타내며 10 사이클의 변형 후에도 형태 변형이 발생하지 않습니다. Shannon E. Bakarich et al. 은 표준 이중 망목 하이드로 겔과 유사한 구조를 갖는 이온 공유 결합 얽힘 하이드로 겔로 구성된 새로운 형태의 4D 인쇄 잉크를 만들었다. 제 1 중합체 네트워크는 금속 양이온으로 가교 결합되는 반면, 제 2 중합체 네트워크는 공유 결합으로 가교 결합된다. 이 하이드로 겔은 강화 및 열 활성화를 위해 pNIPAM 네트워크와 결합됩니다. 실험실 테스트에서이 젤은 온도가 20-60 ° C (68-140 ° F) 증가했을 때 41 % -49 %의 형상 회복을 보여 주었고 20 ° C로 복원되었습니다. 이 소재로 인쇄 된 유체 제어 스마트 밸브는 온수를 만질 때 닫히고 냉수를 만질 때 열리도록 설계되었습니다. 밸브는 냉수에 성공적으로 열려 있었고 뜨거운 물의 유속은 99 %까지 감소되었습니다. 이 새로운 유형의 4D 인쇄 된 하이드로 겔은 다른 열 작동 하이드로 겔보다 기계적으로 견고하며 자체 조립 구조, 의료 기술, 소프트 로봇 및 센서 기술과 같은 응용 분야에서 잠재력을 보여줍니다.
디지털 형상 기억 폴리머
형상 기억 폴리머 (SMP)는 일정 시간 동안 온도에 노출되었을 때와 같은 특정 상황에서 변형 된 모양에서 원래의 모양을 복구 할 수 있습니다. 중합체에 따라, 상기 물질이 다수의 온도 조건에서 취할 수있는 다양한 배치가있을 수있다. Digtial SMP는 3D 인쇄 기술을 활용하여 유리 전이 온도 또는 결정 – 용융 전이 온도와 같은 다양한 특성을 갖는 SMP의 배치, 형상 및 혼합 및 경화 비율을 정밀하게 설계합니다. Yiqi Mao et al. 이를 사용하여 까다로운 규정 된 열 – 기계적 및 형상 기억 행동을 갖는 일련의 디지털 SMP 힌지를 생성하며, 이는 경성의 비 – 활성 재료 상에 그라프 트된다. 따라서 팀은 스스로 접히지 않고 폴드 할 수있는 자체 접철식 샘플을 개발할 수 있었으며,보다 견고한 구조를 만들기 위해 연동시킬 수도있었습니다. 이 프로젝트 중 하나는 USPS 사서함을 모델로 한 자체 접이식 상자를 포함합니다.
Qi Ge et al. 다양한 고무 모듈러스 및 유리 전이 온도를 가진 구성 요소를 기반으로하는 디지털 SMP를 설계했으며 기존의 인쇄 가능한 재료보다 최대 300 %까지 매우 높은 파괴 변형률을 보입니다. 이를 통해 온도 입력에 따라 물체를 잡고 잡을 수있는 다중 재료 그리퍼를 만들 수있었습니다. 두꺼운 조인트는 견고성을 위해 SMP로 만들어졌으며 마이크로 그리퍼의 팁은 운송 대상물과의 안전한 접촉을 위해 개별적으로 설계되었습니다.
응력 완화
4D 인쇄에서의 응력 완화는 재료 내에 “저장”되는 응력 하에서 재료 조립이 생성되는 과정입니다. 이 응력은 나중에 풀릴 수 있으므로 전체적인 재료 모양이 변경됩니다.
열적 광 반응성 중합체
이러한 유형의 폴리머 작동은 광 유도 응력 완화로 설명 될 수 있습니다.
이 기술은 원하는 벤딩 솔기를 집중 조명 스트립에 노출시켜 온도 구동 폴리머 굽힘을 이용합니다. 이러한 굽힘 솔기는 응력 상태로 인쇄되지만 빛에 노출 될 때까지 변형되지 않습니다. 물질에서 굴곡을 유도하는 활성제는 강렬한 빛에 의해 열이 전달됩니다. 재료 자체는 화학적 인 광 반응성 폴리머로 만들어집니다. 이들 화합물은 광개시제와 결합 된 중합체 혼합물을 사용하여 비정질의 공유 결합 가교 중합체를 생성한다. 이 재료는 시트 형태로 만들어지며 원하는 굽힘 주름에 수직 인 장력으로로드됩니다. 이 물질은 광의 특정 파장에 노출되며, 광개시제가 소비됨에 따라 잔류 혼합물이 중합되어 광개시제 스트레스 이완을 유도합니다. 빛에 노출 된 재료의 부분은 특정 벤딩 패턴을 만들기 위해 스텐실로 제어 할 수 있습니다. 또한 각 반복에 대해 서로 다른 로딩 조건 또는 스텐실 마스크가있는 동일한 재료 샘플을 사용하여이 프로세스를 여러 번 반복 실행할 수도 있습니다. 최종 형식은 각 반복의 순서 및 결과 형식에 따라 달라집니다.
현재 응용 프로그램
건축물
일반적인 적응 형 외벽과 개방형 지붕은 복잡한 기계 시스템을 필요로하기 때문에 설치가 어려우며 고장이 자주 발생합니다. 4D 인쇄 된 외벽은 기상 조건으로 인한 설치 및 직접 작동의 단순성을 제공하여보다 큰 제어 시스템 또는 입력 에너지에 대한 필요성을 없애줍니다.
바이오 메디컬
Shida Miao 외 연구팀 새로운 유형의 4D 인쇄 가능 광 경화성 액상 수지를 만들었습니다. 이 수지는 생체 친 화성 인 재생 가능한 대두유 에폭시 화 아크릴 레이트 화합물로 만들어졌습니다. 이 수지는 3D 인쇄 가능한 수지의 작은 그룹에 추가되며 생체 적합성이 적은 수지 중 하나입니다. 이 수지의 레이저 3D 인쇄 샘플은 -18 ° C에서 37 ° C까지의 온도 변화에 영향을 받아 원래 모양의 완전한 회복을 나타 냈습니다. 이 물질의 인쇄 된 발판은 인간 골수 간엽 줄기 세포 (hMSCs)의 성장을위한 성공적인 기반으로 판명되었습니다. 이 물질의 강한 형상 기억 효과와 생체 적합성은 연구원들로 하여금 생물 의학 비계 발달을 강력히 진전시킬 것이라고 믿게합니다. 이 연구 논문은 생물 의학 응용 분야에서 광 조형 생산을위한 액상 수지로서 식물유 고분자의 사용을 탐구 한 최초의 연구 중 하나입니다.
Leonid Ionov (University of Bayreuth)의 연구팀은 생체 친화 형 / 생분해 성 하이드로 겔을 살아있는 세포로 인쇄하는 새로운 형태의 접근 방식을 개발했습니다. 이 접근법은 고해상도에서 직경과 구조에 대한 전례없는 제어가 가능한 속이 빈 자체 접이식 튜브의 제작을 가능하게합니다. 이 접근법의 다용도 성은 두 개의 다른 생체 고분자 (알지네이트와 히알루 론산)와 마우스 골수 기질 세포를 사용함으로써 입증됩니다. 인쇄 및 인쇄 후 매개 변수를 활용하면 기존의 다른 bioprinting 접근법으로는 아직 달성 할 수 없으며 가장 작은 혈관의 직경과 비교할 수있는 평균 20μm 내경의 튜브 직경을 얻을 수 있습니다. 제안 된 4D 바이오 프린팅 공정은 인쇄 된 세포의 생존 능력에 부정적인 영향을 미치지 않으며 자체 접이식 하이드로 겔 기반 튜브는 세포 생존력을 감소시키지 않으면 서 적어도 7 일 동안 세포 생존을 지원합니다. 결과적으로, 제시된 4D bioprinting 전략은 적합한 재료와 셀의 선택에 의해 통제되는 조정 가능한 기능성과 응답 성을 갖춘 동적 재구성 가능한 구조의 제작을 가능하게합니다.
가능한 응용 프로그램
잠재적으로 4D 인쇄에 적용되고 조정될 수있는 기존 기술 / 기술이 있습니다.
셀 견인력
세포 견인력 (Cell Traction Force, CTF)은 살아있는 세포를 접어서 미세 구조를 설계된 모양으로 이동시키는 기술입니다. 이것은 세포 내 액틴 중합 및 액토 미신 상호 작용에서 발생하는 수축을 통해 가능합니다. 자연 과정에서 CTF는 상처 치유, 혈관 신생, 전이 및 염증을 조절합니다. Takeuchi et al. 유리 구조가 제거되면 마이크로 플레이트를 가로 지르는 갭을 메워 셀프 폴딩을 시작하게된다. 팀은이 방법으로 혈관과 같은 형상과 높은 처리량의 12 면체도 만들 수있었습니다. 이 세포 종이 접기의 기술을 활용하면 인쇄 과정이 완료된 후 비 합성 물질을 모방 할 수있는 세포가 많은 구조를 설계하고 인쇄 할 것이라는 추측이 있습니다.
전기 및 자기 스마트 재료
오늘날 존재하는 전기 응답 성 물질은 외부 전기장의 강도 및 / 또는 방향에 따라 크기 및 모양을 변화시킵니다. 폴리아닐린 및 폴리피롤 (PPy)은 특히 우수한 전도성 물질이며 전기 자극하에 수축 및 팽창하기 위해 테트라 플루오로 보레이트로 도핑 될 수 있습니다. 이 재료로 만든 로봇을 3V의 전기 펄스를 사용하여 5 초 동안 움직이면서 한 다리를 늘린 다음 10 초 동안 자극을 제거하여 다른 다리가 앞으로 움직 이도록했습니다. 생체 적합성이 높고 전도성이 높은 탄소 나노 튜브에 대한 연구는 탄소 나노 튜브와 형상 기억 시료로 구성된 복합체가 표본 하나보다 전기 전도성이 높고 전기 응답 속도가 빠르다는 것을 나타냅니다. 자기 반응 형 ferrogel은 강력한 자기장이있는 상태에서 수축하므로 약물 및 세포 전달에 응용할 수 있습니다. 탄소 나노 튜브와 자기 적으로 반응하는 입자의 조합은 여전히 강한 전도성을 유지하면서 세포 성장과 접착을 촉진하는 데 사용하기 위해 바이오 인쇄되었습니다. 이것은 생물 의학 응용을위한 정밀 공학 구조의 4D 인쇄 전자 – 자기 생체 흡착에 대한 흥미로운 전망이지만 이웃 세포에 악영향을 미치지 않도록 자극이 발생하면 pH 값과 온도의 국소 변화에 대한 더 많은 연구가 필요합니다.
상업 및 운송
Skylar Tibbits는 특정 환경에 맞게 조정할 수 있고 온도, 습도, 압력 및 신체 또는 환경의 소리와 같은 요소에 응답 할 수있는 프로그래밍 가능 제품으로 4D 인쇄 자료의 향후 적용에 대해 자세히 설명합니다. Tibbits는 또한 운송 응용 프로그램을위한 4D 인쇄의 이점에 대해 언급합니다.이 제품을 사용하면 제품을 평면으로 포장하여 나중에 단순한 자극으로 현장에서 설계 한 모양을 활성화 할 수 있습니다. 또한 수송중인 힘에 반응하여 4D로 인쇄 된 선적 컨테이너가 하중을 균일하게 분산시킬 수 있습니다. 4D로 인쇄 된 자료는 실패 후에도 스스로 복구 할 수 있습니다. 이 자재는 자체 분해 할 수있어 구성 부품을 재활용하기가 쉽습니다.
장점과 단점
4D 인쇄 프로세스를 사용하면 물체를보다 공간 절약적이고 비용 효율적인 방식으로 이송 할 수 있습니다. 또한 3D 인쇄와 달리 감각에 의해 유발 된 움직임이나 변형조차도 생성되어 객체를 지능형 자료로 변환합니다.
이 기술은 많은 질문에 답이없는 개발 초기 단계에 있습니다. 일부 어플리케이션의 경우, 다른 감각 시스템이 현재 더 유용하거나 적어도 덜 비쌉니다.