Волокна с “эффектом памяти” в 3D печати

Исследователи из Колорадского Университета в Боулдере (CU-Boulder) добавили «четвертое измерение» к печатной технологии, открыв, таким образом, захватывающие возможности по созданию и применению адаптивных, композиционных материалов в производстве, упаковке и биомедицинском оборудовании.

Команда, возглавляемая H. Jerry Qi, профессором машиностроительного факультета CU-Boulder совместно с Martin L. Dunn из Сингапурского Университета Технологий и Дизайна разработали и протестировали новый метод 4D печати. Разработчики включили полимерные волокна с эффектом «памяти формы» в композиционные материалы, которые применяются в стандартной 3D печати. В результате данной технологии форма объекта, может быть позднее изменена и он примет новую форму.

“В данной работе, исходная конфигурация объекта создается с помощью 3D печати, затем запрограммированное действие волокон с эффектом памяти формы создает временную зависимость конфигурации – характерный для 4D изображения” говорит Dunn, бывший преподаватель факультета машиностроения в Боулдере, изучавший механику и физику композиционных материалов в течение двух десятилетий.

Концепция 4D печати, которая позволяет материалам «самостоятельно превращаться» в 3D структуры, была предложена раньше преподавателем Массачусетского Технологического Университета Skylar Tibbits в Апреле этого года. Tibbits и его команда соединила нить из пластика со слоем «умного» материала, который может превращаться в воду.

“Мы продолжили развивать эту идею и создали композиционные материалы, которые можно превращать в различные сложные формы, в основе которых лежит применение разных физических механизмов”, говорит Dunn. “Секрет применения полимерных волокон с эффектом памяти для создания желаемой формы объектов из композиционного материала заключается в строении, направлении и расположении волокон, а также других факторов”.

Исследования команды из CU-Boulder были опубликованы в прошлом месяце в журнале Applied Physics Letters. Соавтором исследования является Qi “Kevin” Ge, проводивший постдокторское исследование в Институте MIT.

“Впечатляющим является то, что эти формы устанавливаются еще в фазе проектирования, что было недостижимым в предыдущие годы” утверждает Qi.

Команда ученых показала, что направление и расположение волокон в пределах композиционного материала определяет уровень эффекта памяти форм – например, образование складок, скручивания, растяжения или искривления. Разработчики также продемонстрировали свою способность контролировать эти эффекты с помощью нагрева или охлаждения композиционного материала.

Qi говорит, что технология 3D печати, которая существовала около трех десятилетий, была только недавно усовершенствована, а именно когда активные волокна могут быть включены в композиционные материалы с возможностью контроля их поведения, когда объект, например, подвергается тепловому или механическому воздействию.

Технология открывает новые возможности для применения в различных сферах. По словам Qi, солнечная панель или аналогичный продукт может быть изготовлен в плоской конфигурации, на которую могут быть установлены различные функциональные устройства. Затем форма объекта может быть превращена в более компактный вид, с целью его оптимальной упаковки и транспортировки. После доставки в место назначения, продукт может принять новую форму, которая оптимизирует его функциональные свойства.

Поскольку технология 3D печати развивается дальше, а именно применяются более широкий спектр материалов и более высокое расширение, исследование должно помочь в создании регулируемых поверхностей и твердых тел в проектировании, например обшивок из композиционных материалов разных форм, которые находят широкое применение в автомобилестроении, самолетостроении и антеннах.

Исследование проводилось при поддержке Управление Научных Исследований ВВС США и Национальным Научным Фондом США.

Источник “University of Colorado Boulder”