Термоусадка и 4D-печать: американские ученые работают над самоскладывающимися оригами

Как правило, от слова «усадка» у 3D-печатников начинают скрипеть зубы, ведь этот термин означает отлипающие от столика слои, расслаивающиеся модели и головную боль с подгонкой деталей под заданные размеры. А вот исследователи из Университета Карнеги-Меллона превратили термоусадку в основополагающий принцип этакого аддитивного оригами – напечатанных на 3D-принтере заготовок, самостоятельно складывающихся в готовые изделия.

В обиходе подобные методики нередко именуются «4D-печатью», где под четвертым измерением подразумевается период времени, требуемый на изменение формы 3D-печатной модели. Опирается же 4D-печать в большинстве случаев на эффект памяти формы. Команда ученых под руководством главы лаборатории Morphing Matter, доцента Ли Нин Яо сделала ставку на запрограммированную термоусадку с использованием 3D-печатных композитов. Композиты в свою очередь состоят из широкодоступных пластиков двух вариантов – склонных к термоусадке и эластичных. В своих опытах команда использовала филаменты из полилактида (ПЛА) и термопластичного полиуретана (ТПУ).

Изгиб вызывается усадкой после повторного нагревания, уже после печати, приводящего к произвольному свертыванию полимерных цепочек. Другими словами, дает о себе знать остаточное напряжение, возникающее в результате быстрого охлаждения во время печати. Плавность изгиба контролируется с помощью полиуретана, выполняющего роль упругого «противовеса», а активным элементом выступает ПЛА-пластик.

Типичный пример такого композита состоит из трех слоев ПЛА и одного слоя ТПУ. Печатается элемент в плоской форме, а после нагревания в горячей воде закручивается. Регулируя толщину, форму и структуру слоев можно заставить отдельные участки сгибаться в нужном направлении и под более-менее заданным углом.

Задача по 3D-моделированию усложняется парой интересных моментов. Например, слои ПЛА-пластика при повторном нагревании будут стремиться загнуться краями вниз. Объясняется это тем, что в каждом слое возникает разница в остаточном напряжении нижней и верхней поверхностей – нижняя прилипает к столику или предыдущему слою, а потому сохраняет максимум напряжения. Верхняя же успевает усесть и потерять часть нагрузки.

Этим же объясняется разница в изгибе «слоек», напечатанных «вверх головой» или «вверх ногами», то есть со слоем ТПУ в верхней или нижней части. Если модель перевернуть так, чтобы первым печатался слой полиуретана, полилактид будет укладываться на уже теплый слой ТПУ вместо холодного столика, а потому остаточное напряжение и угол изгиба будут ниже.

Какой во всем этом смысл? Во-первых, ученые указывают на значительную экономию времени и материалов в сравнении с обычной FDM 3D-печатью геометрически сложных структур – во время опытов эти показатели достигали 86% и 75% соответственно. Во-вторых, теоретически подобные методы можно было бы использовать для изготовления удобных с точки зрения логистики самосборных структур, например простых убежищ для использования в зонах стихийных бедствий – привезли плоские заготовки, нагрели и быстро получили домики и мебель вроде стульчика на иллюстрации выше. С полным докладом исследовательской команды можно ознакомиться по этой ссылке.

А у вас есть интересные новости? Поделитесь с нами своими разработками, и мы расскажем о них всему миру! Ждем ваши идеи по адресу news@3Dtoday.ru.