Teknologi Percetakan 4D Polimer

Penulis: Dr. Arjulizan Rusli¹ & Munirah Johar²

¹Pensyarah Kanan
Pusat Pengajian Kejuruteraan Bahan dan Sumber Mineral
Universiti Sains Malaysia

²Pelajar Pascasiswazah
Pusat Pengajian Kejuruteraan Bahan dan Sumber Mineral
Universiti Sains Malaysia

Kenapa teknologi Percetakan 4D sangat menarik? Teknologi ini menjadikan masa sebagai dimensi tambahan di samping tiga dimensi ruang dalam percetakan 3D konvensional. Konsepnya adalah untuk membuat struktur yang bukan sahaja boleh dicetak, tetapi juga boleh bertindak balas terhadap persekitaran selepas dicetak. Percetakan 4D telah menjadi satu topik yang menarik ramai penyelidik dan juga pembangun produk kerana potensinya untuk menghasilkan bahan yang berubah bentuk secara automatik. Bayangkan perabot yang dihantar dalam kotak rata tetapi menyusun sendiri bentuknya apabila terkena cahaya matahari, ataupun implan perubatan yang diterapkan secara minimal invasif dan kemudian berubah bentuk untuk fungsi tertentu dalam tubuh badan manusia. Itulah keistimewaan teknologi ini, yang menggabungkan kepintaran bahan dengan keupayaan percetakan moden.

Apa itu percetakan 4D dan bagaimana ia berbeza daripada 3D?

Secara asasnya, percetakan 4D adalah percetakan aditif yang sama seperti 3D, dimana kedua-duanya menggunakan komputer dan pencetak untuk membentuk objek daripada bahan seperti plastik atau resin secara lapisan demi lapisan. Perbezaannya adalah objek yang dicetak dalam percetakan 4D bukan objek statik. Selepas sahaja selesai pencetakan, objek ini boleh berubah bentuk atau fungsi apabila terdedah kepada rangsangan luar seperti suhu, kelembapan atau cahaya. Rajah 1 menunjukkan perbezaan percetakan 3D dan 4D. Dalam percetakan 3D yang biasa, bentuk A dicipta, dan bentuk itu kekal seperti A kecuali objek tersebut disentuh atau diubah secara fizikal. Tetapi dalam percetakan 4D, bentuk A dicipta dan diprogramkan untuk berubah menjadi bentuk B apabila masa dan rangsangan yang ditetapkan berlaku. Masa

Bahan Polimer Pintar: merupakan “Jantung” Teknologi 4D

Kunci kepada percetakan 4D adalah bahan pintar terutamanya polimer yang responsif terhadap rangsangan. Polimer ialah bahan asas yang dikenali ramai sebagai plastik atau getah. Namun begitu, bukan polimer biasa yang digunakan dalam percetakan 4D tetapi polimer pintar yang mampu bertindak balas terhadap keadaan sekeliling/persekitaran. Sebagai contoh,  polimer ingatan bentuk merupakan polimer yang mampu mengingati bentuk asal serta kembali kepadanya selepas rangsangan tertentu diberikan, seperti cahaya ataupun haba. Rajah 2 menunjukkan pelbagai jenis polimer responsif dalam percetakan 4D apabila terdedah kepada suhu, cahaya dan air.

Bayangkan sehelai polimer yang dicetak secara rata. Apabila direndam dalam air panas, ia boleh melipat sendiri menjadi bentuk lain yang telah diprogramkan. Lihat perubahan itu seumpama span yang dirapatkan dan dilepaskan, tetapi bagi polimer ini, ia diprogramkan secara molekul untuk berubah dengan cara tertentu apabila rangsangan yang sesuai diberikan.

Selain itu, ada juga bahan seperti hidrogel yang bertindak balas terhadap kelembapan atau pH tertentu yang boleh mengembang atau mengecut. Bahan ini sesuai untuk aplikasi tertentu seperti robot lembut atau sistem penghantaran ubat.

Bagaimana Objek 4D direka dan dicetak

Proses percetakan 4D bermula hampir sama dengan pencetakan 3D biasa dimana model digital direka melalui perisian, kemudian pencetak mencipta objek lapisan demi lapisan. Bezanya ialah, dalam percetakan 4D, bahan dan reka bentuk dipilih berdasarkan bagaimana struktur itu ingin berubah selepas dicetak. Dengan memilih bahan pintar dan reka bentuk lapisan khusus, pengeluaran 4D membolehkan objek tersebut bertindak balas terhadap masa dan persekitaran.

Bahan seperti polimer ingatan bentuk atau responsif gel biasanya dipilih kerana ia boleh ditetapkan untuk bertindak balas kepada rangsangan seperti haba atau air. Proses ini juga memerlukan kawalan yang teliti terhadap susunan bahan dan corak lapisan supaya perubahan bentuk yang diinginkan akan muncul dengan betul selepas dicetak.

Contoh Aplikasi Menarik Percetakan 4D

Dalam bidang perubatan dan biopercetakan, percetakan 4D diguna untuk mencipta struktur yang boleh berubah bentuk di dalam badan tanpa pembedahan besar. Sebagai contoh, Perancah untuk pertumbuhan tisu atau tiub kecil yang boleh berkembang menjadi bentuk tertentu apabila terdedah kepada suhu badan, memberi ruang inovasi besar dalam biopercetakan dan rawatan regeneratif. Selain itu, Robot Lembut dan Peranti Pintar yang boleh berubah bentuk mengikut tugas juga dibangunkan dengan bantuan percetakan 4D seperti dalam Rajah 3. Terdapat robot kecil yang bertindak seperti tumbuhan dimana ia berubah bentuk apabila menyedari kelembapan atau tekanan tertentu. Akhir sekali, penghantaran dan logistik bagi objek 4D boleh dibuat dalam bentuk rata dan dirancang untuk berkembang secara automatik apabila berada di tempat tujuannya. Ini merupakan satu idea yang menarik untuk pengurusan ruang dalam penghantaran barang yang efisien.

Cabaran yang Perlu Diatasi

Walaupun teknologi ini nampak futuristik dan menarik, ia masih mempunyai beberapa cabaran. Antaranya ialah kos bahan pintar yang sangat mahal, serta kawalan yang lebih kompleks dalam reka bentuk supaya perubahan bentuk dapat berlaku dengan tepat setiap masa. Sesetengah bahan juga mungkin belum cukup tahan lama untuk aplikasi industri berat seperti struktur binaan atau komponen automotif.

Masa Depan Percetakan yang ‘Hidup’

Percetakan 4D membuka ruang kepada dunia baru di mana objek bukan lagi statik, tetapi berupaya bertindak balas terhadap masa dan persekitaran. Ini bukan sekadar cerita fiksyen kerana banyak universiti dan makmal di seluruh dunia sedang mengkaji penggunaan teknologi ini dalam perubatan, robotik, seni bina dan bahan pintar lain. Dengan kemajuan dalam sains bahan dan reka bentuk digital, masa depan percetakan mungkin bukan hanya tentang bentuk tiga dimensi tetapi bentuk yang boleh berubah dan menyesuaikan diri mengikut masa dan keperluan pengguna.

Kredit foto utama-cadcentre

Rujukan

1. Quanjin, M., Rejab, M. R. M., Idris, M. S., Kumar, N. M., Abdullah, M. H., & Reddy, G. R. (2020). Recent 3D and 4D intelligent printing technologies: A comparative review and future perspective.Procedia Computer Science, 167, 1210-1219.
2. Fu, P., Li, H., Gong, J., Fan, Z., Smith, A. T., Shen, K., … & Sun, L. (2022). 4D printing of polymers: Techniques, materials, and prospects.Progress in Polymer Science, 126, 101506.
3. Olhan, S., Antil, B., Maimí, P., & Behera, B. K. (2025). Advances in 4D printing of polymeric composite smart materials.Composite Structures, 119859.
4. Kehret, D., Junk, S., Einloth, H., & Rapp, B. E. (2024). 4D printing of magnetoresponsive soft gripper and phenomenological approach for required magnetical actuation field.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 135(5), 2037-2049

Biodata Penulis: 

Dr. Arjulizan Rusli ialah pensyarah di Pusat Pengajian Kejuruteraan Bahan dan Sumber Mineral, Universiti Sains Malaysia dan merupakan penyelidik dalam bidang kejuruteraan polimer dengan kepakaran merangkumi pemprosesan polimer, reologi polymer, polimer mampan serta polimer khusus. Penyelidikannya tertumpu kepada Pembangunan dan pencirian polimer memori bentuk, campuran polimer dan polimer biodegradasi, dengan penekanan kepada hubungan astarastruktur, sifat dan prestasi bahan bagi menyokong aplikasi kejuruteraan dan kelestarian.

Munirah Johar merupakan pelajar pascasiswazah (PhD) di Pusat Pengajian Kejuruteraan Bahan dan Sumber Mineral, Universiti Sains Malaysia. Bidang penyelidikan tertumpu kepada tingkah laku ingatan bentuk dalam percetakan 4D dengan pertambahan grafena berbilang lapisan dan mempunyai pengalaman penyelidikan dalam peningkatan sifat polimer termoplastik melalui teknik pengadunan lebur serta pengajian sarjana yang memfokuskan kepada sifat bahan dalam proses percampuran polimer dengan bahan pemplastik untuk meningkatkan fleksibiliti, kebolehprosesan, dan keanjalan bahan tersebut.