00

4D-печать: аддитивное производство обзаводится мышечной массой

Расширение производства функциональных деталей посредством 4D-печати открывает принципиально новые области применения. Фото: ETH Zürich
По мере использования в области 3D печати новых и более усложненных материалов, дополнительных частей и роста функциональности, аддитивное производство открывает все новые возможности применения и персонализации. В то время как предприятия ломают голову над внедрением 3D печати в производство, уже ведутся исследования нового поколения печати, на этот раз в 4 измерениях.

Технология 4D-печати основана на принципах 3D-печати, принимая во внимание еще одно, четвертое измерение: время. Детали, изготовленные при помощи четырёхмерной печати, будут выполнены и настроены таким образом, чтобы изменять свою форму с течением времени, или даже реагировать на внешние раздражители (например, на изменение температуры окружающей среды). Эти функции должны будут включаться в работу без внедрения в детали какой-либо электроники, стандартных машинных приводов или громоздких батарей. Это принципиально новый вид формы и мышления. Если вы думаете, что технология 3D-печати стала прорывом в области производства, Вы не ошибетесь, назвав 4D-печать революцией.

4D-печать открывает новые функциональные способности

Понятие четырехмерной печати было впервые представлено Skylar Tibbits в формате конференции TED-Talk: тогда они показали пример самосборки объектов, выполненных на базе 3D печати, изменяющих свою форму, комплектуя в режиме реального времени коробки и логотипы, посредством расширения объема одного материала и его прохождения между волокнами другого. «Управление» в данном случае осуществлялось за счет уникального исполнения исходных материалов и создания волокон или прорезей, для того чтобы в последствии привести их в действие при помощи внешнего импульса (в данном случае ‒ поглощение воды). Несмотря на сильный эффект, произведенный прогонкой данной технологии, прежде чем она выйдет в производство, необходимо будет решить несколько возникших проблем: долгое время активации, продолжительностью в несколько минут, недостаточная тонкость исполнения из-за применения несвойственных для этого материалов, и, в конце концов, высокая хрупкость конечных изготовленных элементов.

Для решения возникших проблем, ученые опираются на существующие достижения в области 3D-печати с использованием различных материалов. Один из подходов заключается в принципе струйного вбрасывания, схожего с принципом печати на струйном принтере. При этом подходе в качестве материалов для печати используются фотополимерные материалы различной твердости, что обеспечивает изготовление конечных деталей разной плотности.

Было установлено, что применяемые полимеры имеют свойство памяти формы, подобно далеко идущей технологии сплавов с эффектом памяти формы. Два этих свойства ‒ возможность печатать на 3D-принтере, используя материалы разной твердости, и эффект памяти формы ‒ открывают принципиально новые возможности и области применения технологии четырехмерной печати.

«Бистабильность»: стабильность в двух состояниях

Представим задачу: необходимо изготовить такую деталь, которая из исходного плоского состояния принимала бы форму пирамиды или другой более сложной фигуры. При изготовлении плоской фигуры требуется намного меньше затрат на материалы и транспортировку.

Кроме того, отпадает необходимость в монтаже дополнительных деталей, при этом будут отсутствовать и подвижные конструкции, а вместе с этим и риск заклинивания.

Понятие «бистабильность» происходит из природного мира (здесь примером могло бы послужить растение росянка) и объясняет способность одного элемента или субъекта находиться в стабильном состоянии в двух разных формах, в данном случае, в открытом или закрытом виде ‒ подобно логической схеме в электронике. Эффект бистабильности в сочетании с эффектом памяти формы, произведенном с помощью трехмерной печати может быть использован с очень большой эффективностью: для того, чтобы произвести детали, изменяющие свою форму в ответ на внешний раздражитель, и в дальнейшем для закрепления изменений и достижения стабильности в новом положении.

ВременнОе изменение формы, как и сам процесс изменения поддаются настройке. Временная синхронизация может выполняться посредством приложения силы к пусковому механизму в определенное время. Кроме того, на процесс так же влияет выбор и применение материалов различной твердости: на сегодняшний день известно семь различных типов таких материалов, которые можно использовать одновременно в процессе изготовления одной детали.

И все же, как происходит процесс изменения формы? Фотополимер с эффектом памяти формы ‒ это материал, становящийся податливым при нагревании. В нагретом состоянии он может быть «спрограммирован» на вторичную форму, отличающуюся от его постоянной формы в спокойном состоянии. Эта вторичная форма остается стабильной при охлаждении полимера, однако не теряет своей «памяти» и вновь принимает свою исходную форму при нагревании.

При этом материал передает свою силу исполнительному механизму, который приводит его в новую форму. Это такая связка, которая приводит материал в состояние изменения формы, превращая плоскую деталь в пирамиду. Причем пирамида является не единственной доступной сложной формой: при 8 активаторах в одной детали, каждый из которых находится во включенном или выключенном состоянии, может быть доступно до 256 вариаций различных форм.

Области применения

Переход к функциональным частям, созданным посредством четырехмерной печати открывает совершенно новые области применения, например, для использования в космических полетах в виде развертываемых солнечных панелей для спутников или антенн, транспортируемых на орбиту в компактном виде и принимающих свою полноценную форму на рабочем месте. Технология изменения формы может так же применяться в автомобиле и самолетостроении, где устройства могут применять полную мощность в зависимости от ситуации и надобности. Эта технология так же может найти применение в строительстве, где отдельные строительные конструкции могут создавать искусственное затенение фасадов, реагируя на солнечный свет. Так же одной из областей применения могла бы стать биомедицина, где отдельные компоненты реагировали бы на изменение температуры тела.

Дополнительные возможности

Что еще можно было бы извлечь из технологии трансформации? Четырехмерная печать могла бы применяться при производстве беспилотных плавающих роботов для исследования морского дна, производя сбор данных или распространение необходимого сигнала. Водные роботы имитируют движение гребной шлюпки, лягушки или потока воды, продвигаясь вперед за счет гребли веслами, отводя их в стороны и позади себя. Вместо электрического мотора, нуждающегося в источнике электрической энергии, водные роботы могут приводиться в движение за счет бистабильного механизма, использующего свойства памяти формы. В данном случае это напоминает своего рода мышцу, приводящую весла в движение.

Движение и действия таких роботов, как отдельной конструктивной группы могут с легкостью подвергаться управлению. К примеру, робот может быть запрограммирован на движение в одном направлении, а может, при активации двух сторон, вращаться в обоих направлениях. Управление последовательностью действий может происходить за счет применения полимеров различных теплофизических свойств с эффектом памяти формы, реагирующих на разные внешние импульсы в определенное время. Посредством изменения этих параметров, можно привести робота в движение для совершения определенного алгоритма и возвращения в исходную точку.

Ограничения в технологии

По аналогии с их механическими предшественниками, возможно представить себе производство более крупных и сложных роботов с применением разных материалов и форм: бистабильный элемент может заменить электродвигатель, обеспечить мощность так называемой «мышцы» и предоставить данные о поведении материала для интегрированных датчиков.

Ограничение технологии заключается в том, что известные полимеры переходят из одного состояния в другое безвозвратно и нуждаются в новом «программировании» для достижения новой формы. Ученые проводят исследования в области реверсивных материалов, способных совершать цикличные последовательности изменения формы, позволяющие выполнять поступательные движения. При этом роботы-пловцы могли бы подстраивать свои циклы операций под дневной и ночной режим, реагируя на изменение температуры окружающей среды, изменяя форму и совершая функции открытия и закрытия.

Четырехмерное производство в сфере индустрии

Печать в формате 4D значительно расширяет потенциал трехмерной печати в таких функциях как самосборка, изменение формы и даже привод. Новые технологии открывают возможность создания многофункциональных машин и роботов без применения традиционной электроники, механических частей и управляющих алгоритмов. Посредством комбинации свойств материалов и особенностей механического исполнения, такого как бистабильность, в качестве инструментов для изменения формы и создания поступательных движений, данная технология может найти в будущем множество областей применения.

Индустрия приближается к разработке и применению новейших материалов, однако все еще требуется большее понимание в вопросах креативного применения и внедрения эластичных материалов в новые продукты и механизмы. При этом термочувствительные материалы являются лишь одной из многих возможностей. В качестве внешнего раздражителя могут послужить такие компоненты окружающей среды как свет, вибрация или запахи. Для того, чтобы осуществить внедрение единичных примеров в широкое производство, индустрии потребуются новые и креативные методы моделирования и дизайна, для помощи инженерам в освоении существующих продуктов и разработке новых.

Возврат к списку

Хотите подписаться на статьи электронного журнала "Электрорешения"?