4D-печать: революция в аддитивном производстве для адаптивных решений

А что, если трубы могли бы автоматически восстанавливаться при трещинах или разрывах, а одежда менялась бы в зависимости от погоды или активности пользователя? Мебель, собирающаяся сама, протезы, адаптирующиеся к росту... Это лишь некоторые из потенциальных применений, которые обещает реализовать технология 4D-печати.

3D-печать существует уже почти 30 лет и по-прежнему находится в стадии исследований, открывая новые материалы и приложения, а также новые технологии, такие как 4D-печать.

В лаборатории самосборки MIT разрабатывается проект, частью которого является 4D-печать. Его цель — объединить технологии и дизайн для создания программируемых материалов и технологий самосборки с целью переизобретения строительства, производства, сборки продуктов и их характеристик. В то же время исследование Института Висса (часть Гарвардского университета) успешно напечатало объект, который при контакте с водой меняет свою форму, напоминая расцветание кончиков. Они разработали материал, основанный на природных структурах, таких как растения, который в процессе печати насыщали целлюлозными волокнами.

Что такое 4D-печать?

Вдохновленная принципом самосборки, 4D-печать — это процесс, при котором 3D-печатный объект трансформируется в другую структуру под воздействием внешней энергии, такой как температура, свет или другие стимулы окружающей среды. То есть, получается объект через 3D-технологию, который благодаря свойствам материала, из которого он сделан, способен меняться при воздействии экологического стимула.

Именно это — ключевое отличие между 3D- и 4D-технологиями: способность объектов трансформироваться во времени без человеческого вмешательства.

Используемые материалы

Ключ к 4D-печати не столько в процессе, основанном на привычных 3D-принтерах, сколько в материалах. Поскольку технология довольно новая, доступных материалов меньше, чем для стандартной 3D-печати. Однако среди них есть очень интересные экземпляры.

SMP (полимеры с памятью формы)

Полимеры, которые остаются жесткими при комнатной температуре и проявляют особые свойства при достижении точки стекловидения. Пример — филамент TPU SMP от Convena: 4D-филамент на основе ТПУ (термополиуретана), позволяющий в постобработке изменять форму 3D-печатных деталей. Благодаря специальному составу и технологии полимеров с памятью формы, детали, напечатанные из этого филамента, можно модифицировать вручную, придавая им другую форму, которую они сохраняют надолго.

Процесс изменения формы детали, напечатанной из SMP TPU, заключается в помещении детали в емкость с горячей водой до достижения температуры стекловидения. В этот момент деталь размягчается, и пользователь может легко изменить её форму. После охлаждения деталь сохраняет приобретенную форму и остается стабильной. Кроме того, детали из SMP TPU можно вернуть к исходной форме, повторяя процесс в обратном порядке — снова нагревая до температуры стекловидения.

LCE (жидкокристаллические эластомеры)

Они содержат жидкие кристаллы, чувствительные к телу. Управляя их ориентацией, можно запрограммировать желаемую форму: под действием температуры материал расслабляется и трансформируется согласно заданному коду.

Гидрогели

Полимерные цепи, состоящие преимущественно из воды, особенно используемые в светозакаляющих процессах. Последние сфокусированы на медицинской сфере благодаря своей биосовместимости.

Кроме того, некоторые процессы 4D-печати могут использовать различные материалы, в основном композиты, такие как дерево или углерод, добавляемые к SMP или гидрогелям. Это позволяет создавать объекты с жесткими и подвижными зонами.

Применения

Учитывая множество преимуществ таких интеллектуальных материалов, применения 4D-печати неисчислимы.

Строительство

Строительство климатически адаптивных структур, таких как мосты, укрытия или другие сооружения, стало бы огромным шагом вперед в этой области. 4D-кирпичи, способные модифицировать стены и крыши под окружающую среду, позволили бы менять и улучшать внутренние условия.

Медицина

В этом случае 4D-печать открывает возможность создания индивидуальных, интеллектуальных и развивающихся устройств. Например, 4D-печать имплантата позволила бы легче контролировать его состояние и жизнеспособность после имплантации пациенту.

Эта концепция применима ко всей регенеративной медицине и fabricación клеточных структур. 4D-печать позволила бы клеткам адаптироваться к человеческому телу в зависимости от его температуры, например. Если говорить о лекарствах, стало бы возможным, например, напечатать устройство, которое высвобождает необходимую дозу в зависимости от температуры тела пациента.

Транспорт

Несколько месяцев назад BMW и MIT представили свой надувной материал, меняющий форму и размер под воздействием импульсов воздуха. Приложения очень интересны: в будущем у нас могут быть шины, способные саморемонтироваться при проколе или адаптироваться к рельефу и погодным условиям окружения.

В случае авиапромышленности 4D-печатный компонент мог бы реагировать на изменения атмосферного давления или температуры и тем самым менять свою функцию. Airbus сейчас работает над такими разработками, так как эти компоненты могли бы заменить петли и гидравлические актуаторы, существенно облегчая устройства. Кроме того, ведется работа над разработкой термореактивных материалов для охлаждения авиационных двигателей.

Рауль Пулидо Касильяс, испанский инженер, создал 4D-печатную умную ткань для NASA. Металлическая сетка, сделанная из соединенных серебряных элементов, имеет терморегуляцию, запрограммированную в её печати. То есть, напечатаны не только форма, но и функция материалов. Поскольку она способна отражать тепло снаружи и удерживать его внутри, она может стать идеальным элементом для изготовления скафандров астронавтов или обшивки космических аппаратов.

Мода

В текстильной промышленности 4D-печать также находит свое место. Возможность печатать обувь, адаптирующуюся к движению, удару, температуре и атмосферному давлению, становится реальностью. Военные США уже сделали шаг в эту сферу и тестируют униформы, меняющие цвет в зависимости от окружения, или регулирующие потоотделение в зависимости от пульса солдата или температуры среды.

Хотя мы все еще в зачаточном состоянии, определенно, что 4D-технология в ближайшие годы перевернет производство и природу объектов так же, как это сделала 3D-печать в свое время.