Новый 4D-принтер печатает меняющиеся объекты быстро и из всего подряд

Команда инженеров во главе с Джерри Ци (Jerry Qi) из Технологического института Джорджии изобрела новую технологию 4D-печати. Она совмещает "механическое программирование", когда изделие "учится" менять форму в ответ на сигналы из внешней среды, с процессом его изготовления на 3D-принтере. Кроме того, устройство может работать с целым рядом материалов. 

3D-принтеры, собирающие изделие из крошечных частиц материала, давно стали привычными. Инженеры зовут нас дальше, к 4D-печати. Но ведь аббревиатура "3D" означает печать в трёх измерениях, то есть создание объёмных изделий. А измерений у пространства всего три и есть (может быть, и больше, но не в окружающей повседневности). Что же может означать шифр "4D"? Разумеется, работу со временем.

4D-печать – это создание с помощью 3D-принтеров изделий, которые в разные моменты времени имеют разную форму. Она может зависеть от температуры, освещённости, влажности и других условий внешней среды.

До сих пор создание такого предмета проходило в два этапа. Сначала изделие создавали на 3D-принтере, а потом выполняли трудоёмкое "механическое программирование". Например, заготовку требовалось нагреть, применить к ней точно рассчитанное механическое усилие, охладить и удалить нагрузку.

Хлопот добавляет то, что коммерческие 3D-принтеры, как правило, специализированы по типу материала. Поэтому они не позволяют изготовить изделие сложного состава, например, включающее металл и пластик.

Работа Ци и коллег, представленная на 255-й конференции Американского химического общества, решает сразу обе эти проблемы.

"Мы находимся на пороге создания устройств нового поколения, которые могут значительно расширить практические приложения для трёхмерной и четырёхмерной печати, – говорит Ци. – Наш принтер-прототип объединяет многие функции, которые упрощают и ускоряют процессы, используемые в традиционной трёхмерной печати. В результате мы можем использовать различные материалы для создания жёстких и гибких компонентов одновременно, включать проводящую проводку непосредственно в меняющуюся структуру, в конечном итоге создавая основу для разработки целого ряда 4D-продуктов, которые могли бы изменить наш мир".

 

Ещё в прошлом году инженеры использовали 3D-притер и источник тепла, чтобы из акрила и эпоксидной смолы создавать 4D-объекты, например, цветок, который может открывать и закрывать бутон, или звезду, которая превращается в купол. Изготовление прошло на 90% быстрее, чем обычно, так как они совместили процесс "программирования" на изменения формы и собственно 3D-печати.

Кроме того, команда Ци стремилась создать принтер, работающий с разными материалами и технологиями печати. Прибор, который они в итоге разработали, "владеет" четырьмя такими технологиями. Это печать аэрозольным методом, работа по принципу струйного принтера, робокастинг и моделирование методом послойного наплавления.

А ещё устройство может работать со множеством материалов, включая гидрогели, проводящие чернила на основе наночастиц, жидкокристаллические эластомеры (liquid crystal elastomers) и полимеры с памятью формы (shape-memory polymers).

Последние и являются самыми распространёнными материалами для 4D-печати. Однако новая технология позволяет применять полимеры, запоминающие более сложные формы, что серьёзно расширяет ассортимент 4D-продукции.

Кроме того, печать проводящими наночастицами позволяет создавать на изделии электрическую проводку, а струйная печать пластиком тут же изолирует её.

В настоящее время авторы выясняют, "по зубам" ли их принтеру печать протезов рук для детей-инвалидов.