Печать в “4D” : Следующий уровень развития Аддитивного производства

Профессор Х. Джерри Ки держит простые модели, напечатанные на 3D-принтере с использованием полимеров, которые имеют "память формы". Изображение: Glenn Asakawa / University of Colorado Boulder

В наши дни все говорят о 3D-печати, но команда исследователей из Университета Колорадо-Боулдер только что подняла ставку.

В 2013 году Х. Джерри Ки, доцент машиностроения в Университете Колорадо-Боулдер (ныне доцент машиностроения в технологическом институте Джорджии), и напарник Мартин л. Данн из Сингапурского университета технологии и дизайна, успешно разработал процесс, называемый “4Д” печать. Это добавление полимерных волокон с “памятью формы” в композитне материалы. Применяя такие полимерные материалы 3D принтер может быть использован для изготовления 3D-объекта, который, когда нагревается или охлаждается до определенной температуры, превращается в различные 3D фигуры.

Исследование Х. Джерри Ки основано на более ранних работах Скайлара Тиббитса, научного сотрудника отдела сельского хозяйства MIT, который также изучал самосборку материалов в 3D-структуры. Ключом к прорыву Университета Колорадо-Боулдер является разработка уникальных “печатных активных композитов“, архитектура которых тщательно разработана, чтобы включать точные местоположения определенных волокон с памятью формы, которые будут вести себя определенным образом при воздействии внешнего стимула и ”превращаться” в заданную форму.

Как Это Работает

При финансировании со стороны Управления научных исследований ВВС и Национального научного фонда исследовательская группа Х. Джерри Ки создала специальные волоконные архитектуры на уровнях Ламина и Ламината для нескольких композитных материалов. “Существует значительная свобода проектирования для создания композитов с интересными термомеханическими поведениями, основанными на архитектуре волокна, форме, размере и ориентации, и даже пространственном изменении этих параметров”, – говорит Ки.

Схема термомеханического протокола для достижения саморазгибающейся и открывающейся коробки с применением тепла. Изображение: University of Colorado Boulder

Печатные активные композиты (ПАК) – это мягкие материалы, состоящие из стекловидных полимерных волокон, которые усиливают эластомерную матрицу. Эти волокна проявляют эффект памяти формы, который используется для создания “активной” части композитов. ПАКи после этого термомеханически запрограммированы для того чтобы принять трехмерные конфигурации как изогнутые, спиральные, и переплетенные прокладки, сложенные формы, или сложные, оконтуренные формы с неоднородными погнутостями.

“Изменение формы контролируется посредством проектирования упорядоченных материальных структур или неоднородностей в микрометрическом масштабе”, – говорит Ки. “Неоднородности широко используются в машиностроении для повышения эффективности материалов. Включение неоднородностей обычно производится случайным образом, так как очень трудно точно контролировать, где они могут быть размещены. Однако с помощью 3D-печати можно достичь желаемых свойств (которые могут быть предсказаны), что дает нам возможность контролировать свойства конечного продукта.”

Для создания архитектуры 3D волокон и матрицы напечатаных из CAD файла используют принтер 3D Objet Connex 260. Капельки полимерных чернил осаждаются при температуре около 70 ° с, притираются в гладкую пленку, а затем УФ-фотополимеризуются. Этот процесс создает пленку которая содержит матрицу и материал волокна. Полная композитная архитектура затем реализуется путем печати нескольких слоев пленки для создания отдельного слоя. затем несколько слоев обычной 3D печати которые в результате создают 3D-ламинат.

Используя эту технологию, Ки создал твердые объекты, которые успешно трансформировались в различные формы, как и было предсказано. Например, двухслойные слоистые бруски трансформируются в криволинейные или витые формы. Лист слоистого материала приобрел свою заранее запрограммированную неоднородную кривизну, напоминающую скульптурную поверхность. Самый впечатляющий пример состоял из двухслойных ПАК, которые были напечатаны, чтобы служить шарнирами, прикрепленными к шести пластиковым пластинам, не предназначенным для деформации. Плоская конфигурация была нагрета и растянута билинейно. при охлаждении и отпуске механических нагрузок она идеально собрался в закрытую коробку.

Возможность применения в будущем

Способность создавать эффекты памяти формы, такие как сгибание, скручивание, растяжение, основанные на ориентации и расположении определенных волокон в композитных материалах, открывает огромные возможности для проектирования изделий. Возможно также, что эта технология изменения формы может быть адаптирована к металлам и другим материалам.

Отрасли промышленности, которые могут извлечь выгоду из использования адаптивных композитных материалов, включают производство, упаковку и биомедицину. Одним из возможных применений аэрокосмической техники является использование 3D-принтеров для создания солнечных панелей, которые будут питать космические спутники. Панели могут быть построены плоско и компактно сохранены во время запуска, а затем преобразованы в 4D структуры в пространстве.

По мере того как технология печати 3D продолжает эволюционировать с более сложными, печатными материалами и более высокими разрешениями на больших масштабах, очень правдоподобно, что печать 4D обеспечит новые пути создания высокотехнологичных, функциональных, сложных материалов, которые смогут привести к революции в инженерной 3D печати.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *