Этот процесс был совместно разработан Тиффани Ченг и профессором. Доктор.
Ахим Менгес из Института вычислительного проектирования и строительства (ICD) и Интегративного вычислительного проектирования и строительства для кластера передового опыта в архитектуре (IntCDC) в Штутгартском университете вместе с проф. Доктор. Томас Спек из Группы биомеханики растений и Кластера передовых технологий в области живых, адаптивных и энергонезависимых материалов (livMatS) Фрайбургского университета. Исследователи представляют свои результаты в журнале Advanced Science.
4D-печать определяет изменения формы
3D-печать зарекомендовала себя как производственный процесс для широкого спектра приложений. Его даже можно использовать для производства интеллектуальных материалов и систем материалов, которые остаются в движении после печати, автономно меняя форму от внешних воздействий, таких как свет, температура или влажность.
Эта так называемая «4D-печать», при которой заданные изменения формы могут быть вызваны стимулом, значительно расширяет потенциальные области применения систем материалов. Эти изменения формы стали возможными благодаря химическому составу материалов, которые состоят из реагирующих на раздражители полимеров. Однако принтеры и основные материалы, используемые для производства таких систем материалов, обычно являются узкоспециализированными, изготавливаются по индивидуальному заказу и дороги – до сих пор.
Теперь, используя стандартные 3D-принтеры, можно изготавливать системы материалов, которые реагируют на изменение влажности. Учитывая их структуру, эти системы материалов могут претерпевать изменения формы во всей системе или просто в отдельных частях. Исследователи из университетов Фрайбурга и Штутгарта объединили несколько набухающих и стабилизирующих слоев, чтобы реализовать сложный механизм движения: спиральную структуру, которая затягивается за счет разворачивания «карманов» в качестве прессов и которая может снова расслабиться сама по себе, когда «карманы» освобождаются. и спиральная структура возвращается в открытое состояние.
Механизмы естественного движения перенесены в системы технических материалов
Для этого нового процесса ученые использовали механизм природы: картофель в воздухе поднимается по деревьям, оказывая давление на ствол растения-хозяина.
Для этого растение сначала свободно наматывается на ствол дерева. Затем появляются прилистники, прикорневые отростки листьев, которые увеличивают пространство между извилистым стеблем и растением-хозяином. Это создает напряжение в намотанном стебле воздушного картофеля. Чтобы имитировать эти механизмы, исследователи сконструировали модульную материальную систему, структурируя ее слои так, чтобы они могли изгибаться в разных направлениях и в разной степени, тем самым свертываясь и формируя спиральную структуру. "Карманы" на поверхности заставляют спираль выталкиваться наружу и подвергаться растяжению, в результате чего вся материальная система сжимается.
«Пока что наш процесс все еще ограничен существующими базовыми материалами, которые реагируют на влагу», – говорит Ахим Менгес. «Мы надеемся, – добавляет Томас Спек, – что в будущем недорогие материалы, которые также реагируют на другие стимулы, станут доступны для 3D-печати и могут быть использованы в нашем процессе."
Кластер передовых технологий живых, адаптивных и энергонезависимых систем материалов (livMatS)
Исследователи из Кластера передового опыта систем живых, адаптивных и энергонезависимых материалов (livMatS) Фрайбургского университета разрабатывают системы реалистичных материалов, вдохновленные природой. Как и живые конструкции, они автономно приспосабливаются к различным факторам окружающей среды, генерируют чистую энергию из окружающей среды и невосприимчивы к повреждениям или могут лечить сами себя.
Тем не менее, эти системы материалов будут чисто техническими объектами, поэтому их можно будет производить синтетическими методами и использовать в экстремальных условиях. Томас Спек – член команды спикеров Cluster of Excellence.