State-of-the-art, challenges, applications and future prospects in 4D printing technology

Abstract

4D printing is a new emerging technology that enables new possibilities for many fields of science and technology. 4D printing can move some of the intelligence away from complicated sensor and computer connectivity directly to the material itself. The goal of this thesis is to give an up-to-date overview what 4D printing is, how does it work and what does it entail. It will also examine what state the technology is in presently and what applications it enables in the future.

The thesis is split into parts where the types of stimuli, smart materials, challenges and ap-plications are examined. A few examples of the already achieved 4D structures and their self-actuations are shown in figures in the thesis. The thesis is a literature review, so no new re-search has been conducted. Used sources are published and peer-reviewed texts that are available online because of the ongoing pandemic and because the technology is new and there is not a lot of printed material about it. Sources are also mainly from the past decade to try and give a current view of the technology.

As a result of the examination, it can be said that 4D printing has immense potential for a wide variety of technological and scientific fields. However, 4D printing is still in its early stag-es and has challenges that it needs to overcome before it is at its maximum potential and can be used commercially or in many of the applications that it can enable in the future. For exam-ple, biomedical applications that could save lives. Tissue printing new organs instead of relying on donor organs can make the organs available faster and making it possible to personalize them for each patient.

Neliulotteinen tulostaminen eli 4D-tulostaminen on uusi kehittyvä teknologia, joka tarjoaa uusia mahdollisuuksia monille tieteen ja teknologian aloille. Tämän uuden teknologian avulla osa halutusta älystä voidaan siirtää suoraan itse materiaaliin, minkä ansiosta pystytään luopumaan monimutkaisista antureista ja tietokoneliitännöistä. Tämän työn tavoitteena on antaa laaja ajantasainen yleiskatsaus siitä, mitä 4D-tulostaminen on, miten se toimii ja mitä siihen liittyy. Lisäksi tarkastellaan, mikä teknologian tilanne on tällä hetkellä sekä mitä sovelluksia se mahdollistaa tulevaisuudessa.

Työ jakaantuu osiin, joissa tarkastellaan ärsyketyyppejä, älykkäitä materiaaleja, teknologian haasteita ja sen mahdollistamia sovelluksia. Tutkielman kuvissa esitetään muutamia esimerkkejä jo saavutetuista 4D-tulostetuista kappaleista ja niiden itseohjautuvuudesta. Tutkielma on kirjallisuuskatsaus, joten uutta tutkimusta aiheeseen ei ole tehty. Käytetyt lähteet ovat alan julkaisuissa julkaistuja ja vertaisarvioituja tekstejä. Lähteet ovat saatavilla verkossa meneillään olevan koronapandemian vuoksi ja koska teknologia on uutta eikä siitä ole vielä paljon painettua materiaalia. Lähteet ovat myös pääasiassa viime vuosikymmeneltä, jotta teknologiasta saataisiin ajankohtainen kuva.

Tarkastelun tuloksena voidaan todeta, että 4D-tulostamisella on valtavat mahdollisuudet monilla erilaisilla teknologian ja tieteen aloilla. 4D-tulostus teknologia on kuitenkin vasta alkuvaiheessa, ja sillä on vielä haasteita. Älykkäiden materiaalien tutkimuksen on edistyttävä huomattavasti, kuten myös 4D-tulostamiseen liittyviä ohjelmistojen ja laitteiden on kehityttävä merkittävästi. Nämä ongelmat on ratkaistava, ennen kuin teknologiaa voidaan käyttää kaupallisesti tai sovelluksissa, jotka se mahdollistaa. Esimerkiksi 4D-tulostamisen biolääketieteelliset sovellukset, kuten kudostulostus, voivat pelastaa ihmishenkiä. Kudostulostamalla voidaan tehdä uusia elimiä sen sijaan, että turvauduttaisiin luovuttajaelimiin. Näin elimet saadaan käyttöön nopeammin ja ne voidaan mukauttaa yksilöllisesti kutakin potilasta varten.