Программируемый мир
В фильме «Миссия невыполнима 3» агент Итан Хант, которого играет Том Круз, призван противостоять торговцу оружием. Одна из самых запоминающихся сцен показывает машину, которая дублирует лицо человека, мгновенно создавая пригодную для носки маску (рис. 1). Хотя это вымышленный продукт, машина была очень убедительной и правдоподобной.
Аддитивное производство (AM) или 3D-печать существует уже почти три десятилетия с конца 1980-х годов. В этом процессе детали строятся послойно. Он предлагает огромные, хорошо задокументированные преимущества, такие как свобода геометрии и поддержка персонализации продуктов. Однако одним из основных недостатков является то, что детали, созданные с помощью обычной 3D-печати, обычно статичны и создаются для определенной цели. Например, они включают в себя полноцветные 3D-отпечатки для визуальных прототипов, функциональные модели для механической подгонки и детали для конечного использования, такие как лопатки турбин для аэрокосмической промышленности и черепные имплантаты для медицинских целей.
Улучшения в оборудовании AM и расширение знаний в области материаловедения привели к формированию нового технологического цикла. Это 4D-печать, в которой время как четвертое измерение сочетается с обычными процессами 3D-печати. Дело не в том, сколько времени уходит на печать детали; а скорее тот факт, что 3D-печатный объект после создания продолжает развиваться с течением времени (Pei, 2014). Он также не ограничивается конкретным типом техники 3D-печати, геометрией детали или типом используемого материала. 4D-печать уникальна, поскольку напечатанные детали могут изменяться физически или химически, реагируя на окружающую среду. Ключевым компонентом является избирательное использование адаптивных биомиметических композитов, благодаря которым детали могут изменять форму под воздействием внешних раздражителей.
Впереди захватывающие времена
Скайлар Тиббитс, возглавляющий Лабораторию технологий самостоятельной сборки Массачусетского технологического института (MIT), хорошо известен своими ведущими исследованиями в области 4D-печати и самостоятельной сборки. Исследования Массачусетского технологического института были сосредоточены на геометрии и механических расчетах, чтобы понять, как аддитивно изготовленные детали могут иметь дополнительные функции на месте (Tibbits and Cheung, 2012). В своей ранней работе они продемонстрировали использование многослойного материала, изготовленного из абсорбирующего вещества, расширяющегося до 150 процентов при погружении в воду. Они разработали деталь с живыми петлями, которые были предварительно запрограммированы таким образом, чтобы складываться под заданным углом, который в конечном итоге образует новую структуру. Для этого тщательно выбираются конкретные материалы, чтобы они использовали уникальные свойства каждого материала, которые активируют процесс самосборки. Другие стимулы включают нагрев и расширение, охлаждение и сжатие, жидкости и капиллярное действие; и другие источники включают гравитацию, магниты, ветер, вибрацию, растяжение или сжатие и т. д.
Недавно ученые из Университета Колорадо и Сингапурского университета технологий и дизайна разработали альтернативный метод построения 4D-структур. Ге и его команда (2014) разработали полимерные композиты с памятью формы со стекловолокном для производства 4D-деталей, при этом файл автоматизированного проектирования (CAD) содержит конкретную информацию об архитектуре волокна, которая контролируется с помощью анизотропного и термомеханического поведения. Определив точное количество, расположение и ориентацию этих волокон, они смогли рассчитать и предсказать, как структура будет реагировать на воздействие таких раздражителей, как тепловые или механические силы. В рамках другого проекта исследователи Массачусетского технологического института разработали «запекаемого робота», состоящего из печатных слоев, которые при нагревании могут складываться в заданную трехмерную структуру (Hardesty, 2014). Структура материала состоит из листа поливинилхлорида (ПВХ), зажатого между двумя пленками жесткого полиэстера. При нагревании слой ПВХ сжимается, а края складываются, что приводит к формированию заданной геометрии. В работе Byoungkwon и Rus (2012) из той же исследовательской группы также описано использование алгоритмов, которые могут интеллектуально программировать и контролировать листовой материал, который может самостоятельно складываться в желаемую форму. Другие продемонстрированные рабочие прототипы включают самоскладывающуюся катушку и тензометрический датчик, который может изменять ток, проходящий через него при сжатии.
Сделав еще один шаг, исследователи из Гарвардского университета (Shin, et al., 2014) разработали экспериментальную 3D-печатную лампу, которая включает полимеры с «памятью формы», содержащие встроенную электронику. Остальная часть листа состоит из слоев меди, бумаги и пенопласта. Плоская поверхность складывается в лампу, которую можно включить. Они утверждают, что почти все детали были напечатаны с использованием 3D-принтера, состоящего из полимеров с памятью формы, конструкции, механического переключателя, проводки и емкостных сенсорных датчиков. В лампу вручную были добавлены только провода и светодиод.
Видение будущего
Эта история рассказывает о растущей тенденции, когда за последние пару лет мы стали свидетелями чудес аддитивного производства, позволяющего печатать объекты всех форм, материалов и размеров, но они были практически неодушевленными. Однако лучшее понимание и доступность новых технологий и материалов означают, что 3D-печатные детали теперь можно запрограммировать так, чтобы они реагировали на окружающую среду, и в настоящее время рассматривается встроенная электроника. В ближайшем будущем мы должны ожидать, что такие материалы, как графен, обладающий отличной электропроводностью и прочностью, станут доступными для аддитивных технологий. Это очень захватывающее время для отрасли не только для материалов и продуктов, готовых к 4D; но также и в 4D-биопечати, которая включает проектирование тканей человека с использованием печатных биоматериалов, состоящих как из мягких, так и из жестких микроструктур. Детали, напечатанные на 4D-принтере, будут преобладать там, где машины нового поколения смогут изготавливать визуально реалистичные и функциональные детали, такие как дубликатор лица в «Миссия невыполнима».
Эта статья была написана специально для 3DPI на основе исследовательской версии из журнала Assembly Automation. Том 34, выпуск 2, «4D-печать - революция или причуда?»
Использованная литература
Byoungkwon A. и Rus, D. (2012), «Программирование и управление самоскладывающимися роботами», Robotics and Automation (ICRA), IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA) 2012, St. Пол, Миннесота, США, 14–18 мая 2012 г.
Clarkson, R. (2014), «Blossom», доступно по адресу: https://richardclarkson.com/blossom (по состоянию на 1 февраля 2014 г.)
Ge, Qi., Qi, H. Jerry and Dunn, Martin L. (2013), Applied Physics Letters Vol. 103 Вып. 131901 «Активные материалы четырехмерной печатью»
Hardesty, L. (2014), «Создайте своего собственного робота», MIT News Office, доступно по адресу: https://newsoffice.mit.edu/2014/bake-your-own-robot- 0530 (по состоянию на 16 июня 2014 г.).
Пей, Э. (2014), «4D-печать - революция или причуда?» Автоматизация сборки, Vol. 34 вып. 2, стр. 123 – 127.
Шин, Бёнхён; Фелтон, С. М.; Толли М. Т. и Вуд Р. Дж. (2014), «Самособирающиеся датчики для печатных машин», Международная конференция IEEE по робототехнике и автоматизации (ICRA) 2014, Гонконг, Китай, 31 мая – 7 июня 2014 г.
Tibbits, S. и Cheung, K. (2012), «Программируемые материалы для архитектурной сборки и автоматизации», Assembly Automation, Vol. 32 Вып.: 3, стр. 216 – 225
Tim Flattery (2014), «Визуализация гаджета «Миссия невыполнима», интерпретация изображений из фильма Paramount Pictures «Миссия невыполнима III», https://www.timflattery.com/work/mission-impossible (по состоянию на 1 июля 2014 г.).