4D tehnologija omogoča samodejno zlaganje kompleksnih objektov
Georgia Institute of Technology
2017_256_6
Z uporabo komponent, ki so narejene iz spominskih materialov, ki imajo malce različne odzive na toploto, so raziskovalci demonstrirali 4-dimenzionalno tehnologijo tiskanja, ki omogoča kreiranje kompleksnih samo-zložljivih struktur.
Fotografija prikazuje zloženo škatlo, ki je namenjena simulaciji poštnega predala. Škatla se zloži v topli vodi zato, da se vsi materiali enakomerno segrevajo. (Foto: Qi Laboratory)
Tehnologija, ki so jo razvili raziskovalci na Georgia Institute of Technology v sodelovanju s Singapore University of Technology and Design (SUTD), bi lahko uporabili za kreiranje 3D struktur, ki se samodejno zaporedno zložijo iz komponent, ki so bile ploske ali navite v cev zaradi transporta. Komponente lahko reagirajo na dražljaje, kot je temperatura, vlaga ali svetloba tako, da v točno določenem časovnem zaporedju kreirajo strukture v prostoru, medicinske naprave, robote, igrače in celo paleto različnih struktur.
Raziskovalci so uporabili pametne polimere, ki si zapomnijo obliko (SMP) z možnostjo da si zapomnijo eno obliko in jo spremenijo v drugo programirano obliko ob dovajanju toplote. Zmožnost kreiranja objektov, ki spreminjajo obliko v nadziranem časovnem zaporedju je možna s pomočjo tiskanja več vrst materialov z različnimi dinamičnimi mehaničnimi karakteristikami in predpisanimi oblikami preko 3D oblike. Ko te komponente segrejejo, vsak SMP reagira različno in to tako, da se spremeni njegova oblika glede na njegovo interno uro. Z natančnim načrtovanjem teh sprememb lahko 3D objekte programiramo, da se sami sestavijo.
V raziskavi so naredili strukture, ki se samodejno zložijo s pomočjo 3D natisnjenih oblik, ki so vsebovale različne pametne polimere, ki si zapomnijo obliko. 3D natisnjena oblika omogoča, da imajo ploske komponente različen odziv na isti dražljaj. Predhodne metode so zahtevale različno ogrevanje na posameznih mestih v ploski strukturi, kar je stimuliralo spremembe oblike.
»Predhodni napori, da bi kreirali komponente, ki se zaporedno spreminjajo so vsebovali več grelnikov na specifičnih področjih v komponenti in z nadziranjem vklopa/izklopa posameznega grelnika,« je pojasnil Jerry Qi, profesor na George W. Woodruff School of Mechanical Engineering na Georgia Tech. »Ta zgoden pristop nujno potrebuje krmiljenje toplote, ki jo dovajamo na komponento tako v času in prostoru, kar je zahtevno. Pristop smo obrnili in uporabili prostorsko enako temperaturo, ki jo je enostavneje doseči in nato izkoristili zmožnost različnih materialov, da smo nadzirali interno kontrolo njihovega spreminjanja oblike preko njihovega molekularnega načrtovanja.«
Ekipa je demonstrirala pristop s serijo primerov vključno z mehanizmom, ki ga lahko preklopimo iz ploščate oblike v zaklenjeno konfiguracijo ko se en konec kontrolirano ukrivi in povleče samega sebe skozi luknjo. Pokazali so tudi plosko površino, ki se lahko zloži v 3D škatlo z samo-zaskočnimi zavihki. Vsi te primeri potrebujejo natančno kontrolo postopka zlaganja različnih delov strukture zato, da se izognejo trkom posameznih komponent med postopkom zlaganja.
»Izkoristili smo zmožnost 3D tiskanja pametnih polimerov in natančno integrirali deset različnih materialov v 3D strukturo,« je rekel Martin L. Dunn, profesor na Singapore University of Technology and Design. »Zdaj širimo ta koncept digitalnih SMP-jev tako, da bomo omogočili tiskanje SPM-jev z dinamičnimi lastnostmi, ki se konstantno spreminjajo v 3D okolju.«
Ekipa je uporabila združljivo simulacijo končnih elementov s katero so predvideli odziv 3D tiskanih komponent, ki so jih naredili z različnimi razmerji dveh različnih komercialno dobavljivih polimerov, ki imajo spominske mehanske lastnosti. Razvili so tudi poenostavljen model nižjega reda, s katerim so hitro in točno opisali fiziko samo-zložljivega procesa.
»Pomemben vidik samo-zložljivosti je upravljanje trkov, kjer se različni deli zložljive strukture dotikajo in blokirajo nadaljnje zlaganje,« so zapisali raziskovalci v njihovi raziskavi. »Razvili smo merilo, s katerim napovemo trke. Merilo uporabljamo skupaj z modelom nižjega reda, s katerim načrtujemo samo-zložljive strukture, ki se povežejo med seboj v stabilno želeno konfiguracijo.«
Raziskovalna ekipa predvideva široko področje uporabe v njihovih področjih. Na primer letalo brez posadke, ki je predvideno za izvidniško delo lahko spremeni obliko v potapljaško. Možne bi bile 3D komponente, ki so ploščate ali navite na cevi zaradi lažjega transporta, ki se potem deformirajo v njihovo načrtovano 3D obliko.
Več informacij je na voljo na spletni povezavi: http://www.news.gatech.edu/2015/09/21/4-d-technology-allows-self-folding-complex-objects
