Команда, возглавляемая Х. Джерри Ци, доцентом кафедры машиностроения в CU-Boulder, и его сотрудником Мартином Л. Данном из Сингапурского университета технологии и дизайна разработали и протестировали метод 4D-печати. Исследователи включили полимерные волокна с «памятью формы» в композитные материалы, используемые в традиционной 3D-печати, что привело к созданию объекта, зафиксированного в одной форме, который впоследствии может быть изменен, чтобы принять новую форму.
«В этой работе начальная конфигурация создается с помощью 3D-печати, а затем запрограммированное действие волокон с памятью формы создает временную зависимость конфигурации — аспект 4D», — сказал Данн, бывший член факультета машиностроения CU-Boulder, который изучает механику и физику композитных материалов более двух десятилетий.Концепция 4D-печати, которая позволяет материалам «самостоятельно собираться» в 3D-структуры, была первоначально предложена преподавателем Массачусетского технологического института Скайларом Тиббитсом в апреле этого года. Тиббитс и его команда объединили пластиковую нить со слоем из «умного» материала, который мог самостоятельно собираться в воде.«Мы продвинули эту концепцию, создав композитные материалы, которые могут трансформироваться в несколько различных сложных форм на основе другого физического механизма», — сказал Данн. «Секрет использования полимерных волокон с памятью формы для создания желаемых изменений формы композитного материала заключается в том, как спроектирована архитектура волокон, включая их расположение, ориентацию и другие факторы».
Выводы команды CU-Boulder были опубликованы в прошлом месяце в журнале Applied Physics Letters. Соавтором статьи является Ци «Кевин» Ге, который в сентябре начал работать в Массачусетском технологическом институте в качестве научного сотрудника после докторантуры.
«Интересно то, что эти формы определяются на этапе проектирования, что было недостижимо несколько лет назад», — сказал Ци.Команда CU-Boulder продемонстрировала, что ориентация и расположение волокон внутри композита определяет степень эффектов памяти формы, таких как складывание, скручивание, растяжение или скручивание. Исследователи также продемонстрировали способность контролировать эти эффекты путем нагрева или охлаждения композитного материала.
Ци говорит, что технология 3D-печати, которая существует уже около трех десятилетий, только недавно достигла такой степени, что активные волокна могут быть включены в композиты, так что их поведение можно предсказуемо контролировать, когда объект подвергается воздействию тепловых и механических сил.Эта технология обещает новые захватывающие возможности для множества приложений.
Ци сказал, что солнечная панель или аналогичный продукт может быть произведен в плоской конфигурации, на которую можно легко установить функциональные устройства. Затем его можно было изменить на компактную форму для упаковки и транспортировки.
По прибытии в пункт назначения продукт может быть активирован, чтобы придать ему другую форму, которая оптимизирует его функции.По мере развития технологии 3D-печати с появлением большего количества материалов для печати и более высокого разрешения в больших масштабах исследования должны помочь предоставить новый подход к созданию обратимых или настраиваемых 3D-поверхностей и твердых тел в инженерии, таких как композитные оболочки сложной формы, используемые в автомобилях, самолетах и антеннах.