چاپ چهاربعدی؛ روند توسعه، زنجیره ارزش و کاربردها
این فناوری کاملاً بر بستر فناوری چاپ سه‌بعدی بنا نهاده شده است. در این فناوری نیز با کمک چاپگرهای سه‌بعدی، اشیائی تولید می‌شوند، اما یک تفاوت اساسی در این روش وجود دارد. اشیائی که به آن‌ها عبارت چهاربعدی داده می‌شود، طوری طراحی شده‌اند که تغییر شکل بدهند. اشیای چهاربعدی، اشیائی هستند که پس از تولید نیز قابلیت تغییر داشته باشند. عامل این تغییر می‌تواند متنوع باشد: آب، دما، باد یا هر نوع انرژی‌ای که به این اشیا چهاربعدی وارد می‌شود، می‌تواند منجر به تغییر آن‌ها شود.
برای مثال، چاپ یک جعبه با کمک چاپگرهای سه‌بعدی کار دشواری نیست. اما چاپ سه‌بعدی می‌تواند جعبه‌ای درست کند که وقتی در معرض یک جریان الکتریکی قرار می‌گیرد، کاملاً تخت و صاف شده (۲ بعدی) و دوباره با القای همین جریان به آن، تبدیل به جعبه کاملی گردد (۳ بعدی). درواقع بعد چهارم، تغییر در شی درگذر زمان می‌باشد.
شکل ۱. مفهوم چاپ چهاربعدی
تکنیک‌های مورد استفاده در طراحی اشیای چهاربعدی، تفاوت چندانی با چاپ سه‌بعدی ندارند، اما مواد استفاده‌شده در این اشیا و نیز متدهای چاپ این‌گونه اشیا، با مدل سه‌بعدی تفاوت‌هایی دارد. این فناوری در مواردی کاربرد دارد که نیاز به سر هم شدن شی موردنظر، در محل استقرار می‌باشد. همچنین شرایط خاصی که در آن وجود یک عامل خارجی منجر به واکنش‌های خاصی می‌شود.
نقطه آغاز این فناوری را به سخنرانی پروفسور اسکایلر تیبیتس در سال ۲۰۱۳ نسبت می‌دهند. تعریف وی از چاپ چهاربعدی عبارت است از: «استفاده از چاپ سه‌بعدی برای تولید اشیائی که پس از چاپ، قابلیت تغییر داشته باشند. هدف از این فناوری آن است که شی چهاربعدی مورد نظر، پس از چاپ شدن در معرض دما، نور یا المان‌های دیگر تغییر حالت داشته باشد.»
روند توسعه چاپ چهاربعدی
- تحلیل هایپ سایکل گارتنر
چاپ سه‌بعدی از سال ۲۰۱۵ از هایپ سایکل گارتنر خارج شد و از سال ۲۰۱۶ جای خود را به چاپ چهاربعدی داد. با توجه به ارزش‌آفرینی فناوری چاپ سه‌بعدی در صنایع مختلف، توجیهی برای حضور این فناوری در این نمودار نیست، اما چاپ چهاربعدی هنوز در مراحل ابتدایی بلوغ قرار گرفته و طبق پیش‌بینی گارتنر از سال ۲۰۱۶ (اولین حضور این فناوری در این نمودار)، بیش از ۱۰ سال تا ارزش‌آفرینی این فناوری زمان باقی است.
شکل ۲. هایپ سایکل گارتنر در سال ۲۰۱۶
شکل ۳. هایپ سایکل گارتنر در سال ۲۰۱۷
شکل ۴. هایپ سایکل گارتنر در سال ۲۰۱۸
روند موجود در چاپ چهاربعدی بیانگر آن است که این فناوری برخلاف چاپ سه‌بعدی که از سمت راست هایپ سایکل خارج شده است، در مرحله نوظهور قرار دارد و طبق پیش‌بینی گارتنر، این فناوری تا زمان عملیاتی شدن به بیش از ۱۰ سال زمان نیاز دارد. با توجه به این تفاوت میان چاپ سه‌بعدی و چهاربعدی، رویکردهایی که در ارتباط با اکتساب این دو فناوری اتخاذ خواهد شد، کاملاً متفاوت می‌باشند؛ با وجود این که اساس و پایه چاپ چهاربعدی، تفاوتی با چاپ سه‌بعدی ندارد و بر بستر آن ایجاد شده است.
- تحلیل پتنت
در ارتباط با پتنت‌های ثبت‌شده در این زمینه نیز می‌توان مشاهده کرد که روند این فناوری در سال ۲۰۱۰ تا سال ۲۰۱۳ به اوج خود رسیده و پس از آن با شیبی ملایم از پتنت‌های ثبت‌شده در این زمینه کاسته شده است.
شکل ۵. نمودار پتنت‌های ثبت‌شده از سال ۲۰۰۸ تا ۲۰۱۶
تحلیل پتنت‌های پایگاه لنز نیز نشان دهنده صعود تدریجی روند این فناوری می‌باشد. البته در برابر پتنت‌های چاپ سه‌بعدی، تعداد پتنت‌های این فناوری بسیار کمتر بوده است و این موضوع نشان‌دهنده نوظهور بودن این فناوری می‌باشد.
شکل ۶. وضعیت پتنت‌های چاپ چهاربعدی
- تحلیل علم‌سنجی
در ارتباط با رویکرد محیط آکادمیک در زمینه چاپ چهاربعدی، می‌توان به نمودارهای زیر اشاره کرد. تعداد مقالات چاپ شده در حوزه چاپ سه‌بعدی، بسیار بیشتر از چاپ چهاربعدی می‌باشد (۲۶۱ در برابر ۱۷۳۵۸) که این موضوع حکایت از تقدم تاریخی فناوری چاپ سه‌بعدی دارد.
شکل ۷. دسته‌بندی مقالات حوزه چاپ چهاربعدی
شکل ۸. فراوانی مقالات چاپ‌شده در سال‌های مختلف در حوزه چاپ چهاربعدی
کاربردهای چاپ چهاربعدی
مهندسی معماری: سازه‌هایی که به صورت تخت به محل مورد نظر رسانده شده، پس از اعمال محرک به شی سه‌بعدی، تبدیل به یک سازه خواهد شد.
صنعت پوشاک: لباس یا کفش‌های یکسانی که پس از قرار گرفتن بر بدن کاربر، با توجه به اندام او، تغییر سایز می‌دهند یا کفش‌هایی که در برخورد با آب یا نور شدید، رفتارهای متفاوتی برای محافظت از پوست کاربرشان نشان می‌دهند. همچنین استفاده از چنین موادی برای مقاصد نظامی نیز از دیگر کاربردهای چاپ چهاربعدی خواهد بود.
جاده و راه‌سازی: ایجاد موادی برای جاده‌ها تا در زمان ایجاد یک چاله بر سطح جاده، به صورت خودکار در معرض آفتاب خود را ترمیم سازد.
سلامت: بسیاری از ایمپلنت‌های درمانی به‌سختی وارد بدن بیمار می‌شوند، اما چاپ چهاربعدی این امکان را می‌دهد تا ایمپلنت به صورت ساده‌تری وارد بدن بیمار شده و هنگامی‌که به مقصد موردنظر رسید، شکل از پیش تعیین شده را ایجاد نماید. همچنین بافت‌هایی نظیر پوست که در طول زمان تغییر سایز می‌دهند، می‌توانند با کمک این فناوری در طولانی‌مدت عملکرد مناسبی داشته باشند.
مقالات مرتبط:
چاپ سه‌بعدی؛ روند توسعه، زنجیره ارزش و کاربردها
۵ روند عمده فناوری دیجیتال در سال ۲۰۲۲
