4D-печать: Исчерпывающее руководство | MachineMFG

4D-печать: Исчерпывающее руководство

0
(0)

Обзор

В феврале 2011 года профессор Скайлар Тиббитс, директор Лаборатории самосборки Массачусетского технологического института (MIT) в США, представила концепцию формирования формы посредством самосборки материалов во время выступления на конференции TED (Technology, Entertainment, Design) - некоммерческой организации, базирующейся в США.

В 2013 году профессор Тиббитс вернулся на сцену TED, впервые представив миру концепцию 4D-печати. Его выступление привлекло широкое внимание представителей различных отраслей, признав его изобретателем 4D-печати.

С тех пор 4D-печать завоевала интерес всего мира, быстро развиваясь в технологическом плане и расширяя сферу применения. Профессор Тиббитс и его лаборатория самосборки в сотрудничестве с компанией Stratasys продолжили исследования и разработали множество физических моделей 4D-печати, как показано на рисунках 8-1-8-4.

Рисунок 8-1: 4D-печать создает одну цепочку, которая автоматически складывается в буквы "MIT".
Рисунок 8-2: 4D-печать создает единую цепочку, которая автоматически складывается в определенный куб.
Рисунок 8-3: 4D-печать создает несколько отдельных цепочек, которые со временем автоматически складываются в определенную трехмерную структуру.
Рисунок 8-4: 4D-печать создает определенную плоскую структуру, которая со временем автоматически складывается в октаэдр.

В настоящее время технология 4D-печати все еще находится на стадии исследования и пока не нашла масштабного применения в производстве.

Однако она обладает огромным потенциалом для революционного изменения технологии производства и привлекает внимание многих стран мира, особенно США и Китая, где постоянно появляются новые научные достижения.

В 2011 году Массачусетский технологический институт начал исследования технологии 4D-печати; в 2014 году американская компания Nervous System представила первое полое платье с 4D-печатью; в 2017 году NASA использовало 4D-печать для создания складных металлических тканей, готовя их к использованию в производстве различных космических аппаратов; в 2016 году команда экспертов из больницы Xijing Четвертого военно-медицинского университета в Китае совместно с местной национальной ключевой лабораторией впервые применила трахеальные стенты с 4D-печатью в лечении младенцев со сложными врожденными пороками сердца, сопровождающимися тяжелым двусторонним стенозом трахеи.

В общем, 4D-печать способна изменить парадигмы, расширить мышление и вдохновить на предвкушение и волнение будущего.

Концепция и последствия 4D-печати.

С тех пор как в 2013 году профессор Скайлар Тиббитс впервые ввел понятие 4D-печати, это определение интерпретировалось все большим числом ученых, что привело к появлению различных описаний и споров, но не привело к единому мнению. Стоит отметить, что по мере развития технологии 4D-печати ее концептуальное содержание также становится все более богатым.

Во-первых, в этой книге дается исчерпывающее объяснение 4D-печати в изложении профессора Скайлар Тиббитс, которое выглядит следующим образом:4D-печать - это новый процесс, который демонстрирует радикальный сдвиг в аддитивном производстве. Он подразумевает печать из нескольких материалов, способных трансформироваться со временем, или индивидуальную систему материалов, которая может менять свою форму прямо с печатного стола.

Эта технология обеспечивает ускоренный путь от идеи к реальности с функциональными возможностями, встроенными непосредственно в материалы.

Четвертое измерение здесь описывается как трансформация во времени, подчеркивая, что напечатанные структуры больше не являются просто статичными, мертвыми объектами; скорее, они программируемо активны и могут трансформироваться самостоятельно.4D-печать - это первый взгляд на мир эволюционирующих материалов, которые могут реагировать на потребности пользователей или изменения окружающей среды.

В основе этой технологии лежат три ключевые возможности: станок, материал и геометрическая "программа".

Профессор Скайлар Тиббитс рассказывает о 4D-печати как о процессе, принципиально отличающемся от 3D-печати (аддитивного производства). Для 4D-печати требуется эволюционирующая мультиматериальная или индивидуальная система материалов, которая после изготовления с помощью 3D-печати может продолжать эволюционировать с течением времени или трансформироваться из одной формы в другую.

Встраивая характеристики, определяемые производительностью, непосредственно в систему материалов, 4D-печать предлагает короткий путь от концепции к реальности. Четвертое измерение 4D-печати, которое можно описать как эволюцию во времени, подчеркивает, что структуры, созданные с помощью 3D-печати, больше не являются статичными, а могут быть запрограммированы на автономную трансформацию.

В 4D-печати есть три ключевых технологии: оборудование, материалы и геометрическое "программирование".

Чтобы полностью понять концепцию 4D-печати в изложении профессора Скайлар Тиббитс, необходимо разобраться в следующих нюансах:

Так называемое четвертое измерение относится к эволюции эволюционирующей материальной системы с течением времени, что, по словам профессора Тиббитса, равносильно самосборке - то есть материальная система может менять желаемую форму в течение заданного времени на основе программно-определяемых моделей.

Фундаментальное отличие от 3D-печати заключается главным образом в трансформации подхода к производству. 3D-печать требует предварительно разработанной трехмерной модели, а затем использует соответствующие материалы для придания ей формы, в то время как 4D-печать встраивает дизайн трехмерной модели непосредственно в систему материалов, оптимизируя процесс от "дизайна" до "физического объекта".

Ниже перечислены три ключевые технологии: Что касается оборудования, то обычные 3D-принтеры обычно могут использоваться напрямую или с небольшими модификациями; что касается материалов, то это, как правило, многофазные композиты или эволюционирующие материалы, также известные как "умные" материалы или материалы, реагирующие на стимулы.

К ним относятся материалы, способные автономно изменять свои физические или химические свойства (включая форму, плотность, цвет, эластичность, проводимость, оптические характеристики, электромагнитные свойства и т.д.) под воздействием заранее заданных стимулов (например, погружения в воду или воздействия тепла, давления, электричества, света и т.д.).

В настоящее время основное внимание уделяется нитевидным одиночным цепочкам и листовидным тонким материалам, а следующей целью исследований является создание более сложных трехмерных структур.

В настоящее время 4D-печать особенно хорошо подходит для печати нитевидных одиночных цепей. Что касается "геометрического программирования", то оно относится к ответной реакции между материальными стимулами и физическими свойствами, упомянутыми выше, причем основным механизмом ответной реакции является генерация локализованных характерных деформаций (или деформаций несоответствия) внутри напечатанного объекта во время или после процесса печати.

Профессор Скайлар Тиббитс и его лаборатория самосборки предоставили оборудование и материалы для 4D-печати компании Stratasys, а геометрическое "программирование" - команде исследователей и разработчиков Autodesk. Они также разработали новое программное обеспечение под названием Cyborg. Рисунок 8-5 иллюстрирует объяснение профессора Скайлар Тиббитс о 4D-печати более интуитивно.

Рисунок 8-5 Состав 4D-печати: 3D-печатные объекты, изготовленные из "умных" материалов, после моделирования и симуляции со временем реагируют на стимулы.

В 2014 году профессор Ли Дичэн из Сианьского университета Цзяотун предложил краткую концепцию 4D-печати: 4D-печать относится к аддитивному производству "умных" материалов, что означает, что структуры, созданные с помощью технологии 3D-печати, могут менять свою форму и структуру с течением времени под воздействием внешних факторов. Дополнительное измерение, которое технология 4D-печати добавляет к 3D-печати, - это время.

Таким образом, первоначальная концепция 4D-печати может быть понята как "3D-печать + время", сфокусированная на изменении формы компонентов с течением времени с помощью умных материалов. Предполагается, что по мере углубления исследований в области 4D-печати ее концепция и суть будут еще больше расширяться.

Материалы для 4D-печати

Ключевым компонентом 4D-печати являются "умные" материалы. В конце 1980-х годов американские и японские ученые, вдохновленные определенными возможностями, встречающимися в природе, впервые ввели понятие интеллекта в область материалов и структур, предложив инновационную идею структур из умных материалов.

Эти системы, также известные как интеллектуальные или реагирующие структуры, объединяют в себе чувствительные элементы, исполнительные механизмы и соответствующие схемы обработки сигналов и управления в структуре материала. Они предназначены для реагирования на механические, тепловые, оптические, химические, электрические и магнитные стимулы и управления.

Эти материалы не только способны выдерживать нагрузки, но и обладают способностью к распознаванию, анализу, обработке и управлению, предлагая такие многофункциональные возможности, как самодиагностика, самоадаптация, самообучение и самовосстановление.

Интеллектуальные материальные структуры представляют собой междисциплинарный рубеж, охватывающий широкий спектр областей, таких как механика, материаловедение, физика, биология, электроника, управление, информатика и технологии. Значительное число экспертов из этих дисциплин по всему миру активно участвуют в развитии этих областей.

Существует множество классификаций "умных" материалов, которые можно разделить по назначению и составу на материалы с памятью формы, электроактивные полимеры, пьезоэлектрические материалы, электрореологические жидкости и магнитострикционные материалы, причем наиболее широко используются материалы с памятью формы.

Материалы с памятью формы включают полимеры с памятью формы (SMP), сплавы с памятью формы (SMA), гидрогели с памятью формы (SMH), керамику с памятью формы (SMC) и композиты с памятью формы (SMC).

Полимеры с памятью формы (ППФ), также известные как полимеры с памятью формы, представляют собой полимерные материалы, которые могут изменять и фиксировать свою первоначальную форму при определенных условиях, а затем восстанавливать свою первоначальную форму при стимулировании внешними условиями, такими как тепло, электричество, свет или химическая индукция.

Технология SMP использует современную теорию физики полимеров, а также методы синтеза и модификации полимеров для молекулярного дизайна и корректировки молекулярной структуры распространенных полимерных материалов, таких как полиэтилен, полиизопрен, полиэстер, сополиэстер, полиамид, сополиамид и полиуретан.

Эти материалы наделены определенной формой при определенных условиях (исходное состояние), которая может изменяться и фиксироваться (деформированное состояние) при изменении внешних условий. Если внешняя среда снова меняется определенным образом, они могут обратимо возвращаться в исходное состояние, завершая цикл запоминания исходного состояния, фиксации деформированного состояния и возвращения в исходное состояние.

СМП классифицируются по типу стимулов, на которые они реагируют, включая термоиндуцированные СМП, электроиндуцированные СМП, светоиндуцированные СМП и химически индуцированные СМП.

Полимер с памятью формы, SMP

Термоиндуцированные СМП деформируются при температуре выше комнатной и могут фиксировать деформацию при длительном хранении. При нагреве до определенной температуры реакции компоненты быстро восстанавливают свою первоначальную форму.

Эти полимеры широко используются в различных областях, таких как здравоохранение, спорт, строительство, упаковка, автомобилестроение, научные эксперименты, включая медицинские приборы, пенопласты, подушки для сидений, оптические носители информации и будильники.

Функция памяти формы термоиндуцированных СМП в основном обусловлена наличием двух несовместимых фаз в материале: фиксированной фазы, которая сохраняет форму формованного изделия, и обратимой фазы, которая подвергается размягчению и затвердеванию при изменении температуры. Неподвижная фаза отвечает за запоминание и восстановление исходной формы, в то время как обратимая фаза позволяет изделию изменять форму.

Исходя из структурных особенностей неподвижной фазы, термоиндуцированные СМП можно разделить на термореактивные и термопластичные. Кроме того, существует так называемый "холодный деформационный формовочный" полимер с памятью формы, который включает холодную обработку определенных термопластичных смол при температуре ниже T для достижения высокой упругой деформации и последующее охлаждение для получения деформированного состояния.

При повторном нагревании выше температуры TgПри этом материал может возвращаться к своей первоначальной форме.

Электроиндуцированные СМП представляют собой композиты термоиндуцированных полимерных материалов с памятью формы и проводящих веществ, таких как проводящая сажа, металлический порошок и проводящие полимеры. Их механизм памяти идентичен механизму термоиндуцированных полимеров с памятью формы. Композитный материал использует тепло, выделяемое электрическим током, для повышения температуры системы и восстановления формы.

Поэтому он обладает как проводящими свойствами, так и превосходной памятью формы, что позволяет использовать его в основном в электронике, связи и приборостроении, например, в электронных катодно-лучевых трубках и материалах для электромагнитного экранирования.

Фотореактивные СМП включают специфические фотохромные группы (ФХГ) в основную и боковые цепи полимера. При воздействии ультрафиолетового света ПХГ вступают в реакцию фотоизомеризации, вызывая значительное изменение состояния молекулярной цепи.

Макроскопически материал демонстрирует трансформацию формы под воздействием света. Когда воздействие света прекращается, ПКГ вступают в обратимую реакцию, восстанавливая молекулярное состояние и возвращая материал к исходной форме. Такие материалы используются в печати, оптической записи, молекулярных клапанах, управляемых светом, и системах контролируемого высвобождения лекарств.

Химически индуцированные СМП активируются изменениями в окружающей среде, обеспечивая деформацию материала и восстановление формы. Обычные химические стимулы включают изменение pH, ионообменное равновесие, хелатные реакции, фазовые переходы и окислительно-восстановительные реакции.

Эти материалы включают частично омыленный полиакриламид, поливиниловый спирт и смеси полиакриловой кислоты в виде пленок и используются в таких специализированных областях, как разделительные мембраны для белков или ферментов и химические двигатели.

Сплав с памятью формы, SMA

Сплавы с памятью формы (СМП) - это материалы, состоящие из двух или более металлические элементы которые проявляют эффект памяти формы (ЭПФ) за счет термоупругих мартенситных фазовых превращений и их обратных превращений.

SMA обладают наилучшими характеристиками памяти формы среди материалов с памятью формы. Термоупругие мартенситобразовавшись, продолжает расти при понижении температуры и уменьшается при нагревании, исчезая в полностью обратимом процессе. Разница в свободной энергии выступает в качестве движущей силы фазового превращения.

По своим деформационным характеристикам SMA делятся на три класса:

Односторонний эффект памяти формы: SMA деформируются при низких температурах и восстанавливают свою первоначальную форму при нагревании, проявляя эффект памяти формы только в процессе нагревания.

Двусторонний эффект памяти формы: Некоторые сплавы восстанавливают свою высокотемпературную фазовую форму при нагревании и возвращаются к своей низкотемпературной фазовой форме при охлаждении.

Полный эффект памяти формы: При нагревании материал восстанавливает свою высокотемпературную фазовую форму, а при охлаждении переходит в низкотемпературную фазовую форму с той же геометрией, но противоположной ориентацией.

На сегодняшний день открыто более 50 видов сплавов с эффектом памяти формы. В 1969 году эффект памяти формы никель-титанового сплава был впервые применен в промышленности, что привело к созданию уникального устройства для соединения труб.

Путем добавления других элементов к никель-титановому сплаву были разработаны и исследованы новые сплавы с памятью формы на основе никель-титана, такие как никель-титан-медь, никель-титан-железо и никель-титан-хром. Кроме того, существуют и другие типы сплавов с памятью формы, включая медно-никелевые, медно-алюминиевые, медно-цинковые и сплавы на основе железа (Fe-Mn-Si, Fe-Pd).

SMA широко используются в различных областях, таких как аэрокосмическая промышленность, механическая электроника, биомедицинская инженерия, строительство мостов, автомобильная промышленность и повседневная жизнь.

Гидрогели с памятью формы (SMH)

Гидрогели - это тип высокогидрофильного трехмерного сетевого геля, способного быстро набухать в воде и удерживать значительный объем воды, не растворяясь в набухшем состоянии. Водопоглощение тесно связано со степенью сшивки; чем выше степень сшивки, тем ниже водопоглощение. Гидрогели можно разделить на традиционные гидрогели и экологически чувствительные гидрогели в зависимости от их реакции на внешние раздражители.

Традиционные гидрогели не чувствительны к изменениям окружающей среды, таким как температура или pH; они адаптируются путем изменения сшивки макромолекул для захвата и высвобождения воды (обеспечивая стимул), тем самым достигая усадки и расширения для облегчения структурных переходов.

С другой стороны, экологически чувствительные гидрогели способны улавливать незначительные изменения или стимулы во внешней среде (такие как температура, pH, свет, электричество, давление и т.д.) и реагировать на них значительными изменениями физических и химических свойств, вплоть до резких трансформаций. Характерной особенностью этих гидрогелей является заметное изменение их поведения при набухании в ответ на воздействие факторов окружающей среды.

На основе различных механизмов реакции этих двух типов гидрогелей были разработаны гидрогели с памятью формы, которые могут использоваться в качестве датчиков, управляющих переключателей и т.д.

Керамика с памятью формы (SMC)

СМК проявляют эффект памяти формы, который отличается от СМП и СМА следующим образом: Во-первых, СМП обладают меньшей деформационной способностью; во-вторых, СМП испытывают различную степень необратимой деформации при каждом цикле памяти формы и восстановления, и с увеличением числа циклов суммарная деформация растет, что в конечном итоге приводит к образованию трещин.

По механизму возникновения эффекта памяти формы СМП можно разделить на вязкоупругую керамику с памятью формы, керамику с памятью формы с мартенситным фазовым превращением, ферроэлектрическую керамику с памятью формы и ферромагнитную керамику с памятью формы.

Вязкоупругая керамика с памятью формы включает в себя оксид кобальта, оксид алюминия, карбид кремния, нитрид кремния и слюдяную стеклокерамику. При нагревании этих материалов до определенной температуры они деформируются под действием нагрузки, причем внешняя сила поддерживает деформацию. При охлаждении и последующем нагреве до определенной температуры деформация керамики восстанавливается до первоначального состояния.

Исследования показывают, что вязкоупругая керамика с памятью формы содержит две структуры - кристаллическую и стеклообразную - и что упругая энергия, способствующая восстановлению формы, хранится в одной из этих структур, а деформация происходит в другой.

Мартенситная керамика с памятью формы, такая как ZrO2, BaTiO3, KNbO3, PbTiO3Они используются в основном в элементах приводов для хранения энергии и специализированных функциональных материалах.

Ферроэлектрическая керамика с памятью формы относится к керамике, обладающей свойствами памяти формы при изменении ее ориентации под действием внешнего электрического поля. Фазовые области ферроэлектрической керамики с памятью формы включают параэлектрические, ферроэлектрические и антиферроэлектрические вещества, с такими типами фазовых переходов, как параэлектрические-ферроэлектрические и антиферроэлектрические-ферроэлектрические превращения.

Эти фазовые переходы могут быть вызваны электрическим полем или переключением или переориентацией полярных магнитных доменов. Хотя ферроэлектрическая керамика с памятью формы имеет меньшие деформации по сравнению со сплавами с памятью формы, она может похвастаться быстрым временем отклика.

Они также могут претерпевать обратимые переходы, такие как парамагнитный-ферромагнитный, парамагнитный-антиферромагнитный или из упорядоченного в неупорядоченное орбитальное состояние, что обычно сопровождается восстанавливаемыми деформациями решетки.

Области применения 4D-печати

Объекты, изготовленные с помощью 4D-печати, представляют собой интеллектуальные продукты, обладающие способностью к адаптации и самовосстановлению. Они широко применяются в различных отраслях, включая искусственные ткани и органы, медицинские приборы, автомобильный транспорт, точное машиностроение, аэрокосмическую и оборонную промышленность, а также в моде, мебели и строительстве. Вот семь конкретных примеров применения:

(1) 4D Платье с принтом в виде решетки

Компания Nervous System, основанная в США в 2007 году Джессикой и Джесси, выпускницами Массачусетского технологического института, причем Джессика получила степень по архитектуре в том же институте, что и профессор Скайлар Тиббитс, в 2014 году начала использовать специальную ткань для создания платьев с помощью 4D-печати. Платье, как показано на рисунке 8-6, состоит из решетчатой структуры, состоящей из 2 279 треугольников и 3 316 точек шарниров, как показано на рисунке 8-7.

Натяжение между треугольниками и шарнирами подстраивается под форму тела, обеспечивая хорошую посадку платья даже при изменении веса. Это платье не только решает проблемы с посадкой, но и подстраивается под фигуру. Платье создано с использованием технологии 3D-печати SLS, в результате чего не спеченный порошок выпадает после печати, образуя структуру из переплетенных волокон.

Компания Nervous System также разработала приложение, которое позволяет пользователям выполнить 3D-сканирование своего тела, выбрать размер и форму ткани и сшить уникальное платье с 4D-печатью. В настоящее время это 4D-печатное платье постоянно находится в четырех музеях и галереях.

Рисунок 8-6: Платье с 4D печатью

Рисунок 8-7: Решетчатая структура платья с 4D печатью

Космическая металлическая ткань с 4D-печатью

В 2017 году исследовательская группа под руководством Рауля Полит Касильяса из Лаборатории реактивного движения НАСА сообщила о создании складной металлической ткани с использованием технологии 4D-печати, как показано на рисунке 8-8. На лицевой стороне ткани изображены крошечные серебристые металлические квадраты, а на обратной - черные плетеные металлические проволоки, как показано на рис. 8-9.

Такая структура значительно повышает способность противостоять внешним воздействиям, а также удобна для применения на поверхностях космических кораблей или скафандров астронавтов. Структура может отражать свет (со стороны металлического квадрата) и поглощать тепло (со стороны металлической проволоки), обладая пятью возможностями: устойчивостью к физическому воздействию, способностью складываться как ткань, прочностью на разрыв как сталь, преломлением интенсивного света и пассивной терморегуляцией.

Пассивная терморегуляция позволяет космическому аппарату поддерживать минимальную разницу температур с внешней средой, достигая динамического равновесия при использовании этого материала в качестве покрытия.

NASA предполагает использовать эту металлическую ткань в различных областях, включая складные и меняющие форму большие антенны, теплоизоляцию для космических аппаратов, посещающих холодные, ледяные планеты/луны, а также гибкие изолирующие коврики для астронавтов, миниатюрные метеоритные щиты для космических аппаратов и скафандры.

Более того, этот инновационный материал можно использовать в летательных аппаратах на ледяных лунах/планетах, создавая складные "ноги", которые прилегают к неровной поверхности планеты, помогая избежать некоторых физических повреждений и облегчая сбор образцов.

Рисунок 8-8 Рауль Полит Касильяс
Рисунок 8-9 Двусторонняя структура складной металлической ткани, напечатанной методом 4D-печати

Биодеградируемый трахеальный стент с 4D-печатью

28 марта 2016 года торакальные хирурги госпиталя Тангду при Четвертом военно-медицинском университете использовали передовую технологию 4D-печати, чтобы облегчить страдания пациента с трахеомаляцией, вызванной эндобронхиальным туберкулезом трахеи. Пораженный сегмент трахеи превышал максимальную длину, допустимую для резекции, что делало его удаление невозможным.

Традиционная имплантация стента может привести к таким осложнениям, как затруднение отхаркивания. На международном уровне в журнале New England Journal of Medicine Мичиганский университет сообщил о похожем случае, когда специалисты разработали внешнюю подвеску стента для пациента с заболеванием левого бронха размером всего 1-1,5 см, тогда как у этого пациента поражение трахеи составляло 6 см, что создавало более серьезные проблемы.

После тщательного анализа особенностей заболевания доктор Ли Сяофэй, заместитель директора Хуан Лицзюнь и доктор Ван Лэй из отделения торакальной хирургии больницы Таньду в сотрудничестве с профессором Цао Тишэном и врачом Ян Гуаньин из исследовательского центра 3D-печати Четвертого военно-медицинского университета создали 3D-печатную модель трахеи.

После тщательного обследования было принято решение о проведении операции по подвеске наружного стента. В сотрудничестве с командой профессора Хэ Цзянькана из Сианьского университета Цзяотун они изготовили для пациента биодеградируемый трахеальный стент, напечатанный методом 4D, как показано на рис. 8-10.

С помощью напечатанного в 4D-формате биодеградируемого трахеального стента, который охватывает ослабленную трахею, и наложения на него швов удалось поддержать разрушенную трахею и открыть суженные дыхательные пути. Было проведено тщательное предоперационное общение с пациентом и его семьей, как показано на рис. 8-11.
Операция прошла успешно, и пациентка хорошо восстановилась после операции.

Период деградации стента можно регулировать, контролируя тип и молекулярный вес биоматериала, что позволяет ему постепенно разрушаться и поглощаться организмом в течение следующих 2-3 лет, избавляя пациента от боли, связанной с повторной операцией по удалению стента.

Рисунок 8-10 4D-печатный биодеградируемый трахеальный стент

Рисунок 8-11 Предоперационная консультация с пациентом и его семьей, держащими наготове 4D-отпечатанный стент

Эта операция была первой в своем роде на международном уровне и включала в себя установку внешнего стента на чрезвычайно удлиненный мягкий сегмент трахеи. Кроме того, в сентябре того же года врачи из больницы Сицзин Четвертого военно-медицинского университета объединились с командой Хэ Цзянькана из Сианьского университета Цзяотун.

Используя подобный рассасывающийся трахеальный стент с 4D-печатью, они провели операцию по подвеске стента 5-месячному младенцу, страдавшему от сложного врожденного порока сердца в сочетании с тяжелым двусторонним стенозом бронхов, и успешно вылечили его - еще один первый случай в мире.

Окклюдеры SMP с 4D-печатью

В 2019 году профессор Лю Ливу из Харбинского технологического института в сотрудничестве с клиническими специалистами из Первой больницы Харбинского медицинского университета включил магнитные частицы Fe3O4 в матрицу полимолочной кислоты с памятью формы. Они разработали и 4D-печатали настраиваемый, биоразлагаемый окклюдер SMP, который можно дистанционно и контролируемо развернуть под воздействием определенной напряженности магнитного поля.

Они также провели эксперименты in vitro с окклюдером SMP, напечатанным методом 4D, чтобы проверить простоту процесса его развертывания, как показано на рис. 8-12. Окклюдер SMP можно было плавно упаковать, доставить и выпустить через катетер, причем процесс развертывания завершился в течение 16 секунд.

Рисунок 8-12: Эксперименты in vitro по технико-экономическому обоснованию окклюдера SMP с 4D-печатью

Роботизированные системы самосборки с 4D-печатью

На Международной конференции IEEE по робототехнике и автоматизации в 2013 году Сэмюэл М. Фелтон из Института биологического инжиниринга Гарвардской школы инженерных и прикладных наук продемонстрировал роботизированную систему самосборки, созданную с помощью технологии 4D-печати.

В области робототехники, требующей высоких структурных характеристик, автоматизации и интеллекта, часто наблюдаются удивительные эффекты при комбинировании полимеров с памятью формы, и особенно показательна система самосборки роботов. Эта 4D-печатная система самосборки объединяет жесткие плоские материалы с SMP, обеспечивая последовательное складывание, контроль угла и прорезь при внешней стимуляции.

На рис. 8-13(а) изображен червеобразный робот, оснащенный системой самосборки, напечатанной на 4D-принтере, способный складываться в функциональную форму, которая движется под действием достаточного электрического тока; на рис. 8-13(б) тот же червеобразный робот демонстрирует самодвижение со скоростью 2 мкм/с. Такие самосборные роботы могут снизить затраты на материалы, обработку и транспортировку и имеют многообещающие перспективы для исследования замкнутых пространств.

Рисунок 8-13: Применение роботов с 4D-печатью в области робототехники

(a) Червеобразный робот с 4D-печатной системой самосборки роботов
(b) Развернутая структура и схема движения червеобразного робота

(6) Спортивная одежда с 4D-печатью, чувствительная к влажности

В 2017 году профессор Чжао Сюаньхэ из Массачусетского технологического института с помощью 3D-печати нанес генетически тропные микробы на инертный к влажности материал, создав биогибридную пленку с неравномерной многослойной структурой микробной плотности. Используя гигроскопичность и биолюминесцентное поведение живых клеток, эта биогибридная пленка может реагировать на перепады влажности окружающей среды в течение нескольких секунд.

Она обратимо изменяет форму многослойной структуры и интенсивность биолюминесценции, образуя открытые, вентилируемые створки в условиях повышенной влажности, как показано на рис. 8-14. Из этой биогибридной пленки была изготовлена чувствительная к влажности спортивная одежда для улучшения спортивных ощущений, как показано на рис. 8-15.

Поскольку нанесение этой многослойной структуры представляет собой аддитивное производство чувствительных к влажности смарт-материалов, этот процесс 3D-печати можно также назвать 4D-печатью.

Рисунок 8-14: Многослойная структура нанесения биогибридной пленки

Рисунок 8-15: Спортивная одежда, чувствительная к влажности

(7) Самопреобразующиеся структуры с большой деформацией и высоким модулем упругости

В 2020 году команда профессора Х. Джерри Ци из Технологического института Джорджии продемонстрировала метод разработки и производства самопреобразующихся структур, способных к большим деформациям и высокому модулю упругости. Они напечатали разработанные структуры, используя многоматериальные процессы DIW с композитными чернилами, состоящими из высокой объемной доли растворителя, фотополимеризуемых смол, коротких стеклянных волокон и газообразного кремния.

Во время печати стекловолокна выравнивались за счет сдвига, вызванного ориентацией через сопло, что приводило к высокоанизотропным механическим свойствам. Затем растворитель испарялся, вызывая анизотропную усадку выровненных стеклянных волокон в параллельном и перпендикулярном направлениях. Последующий этап отверждения еще больше увеличил жесткость композитного материала с примерно 300 МПа до примерно 4,8 ГПа.

Процесс печати и деформации, показанный на рис. 8-16, описан выше. Для прогнозирования влияния растворителя, содержания волокон и их ориентации на изменение формы была разработана модель анализа методом конечных элементов.

Результаты подтвердили, что анизотропная объемная усадка может выступать в качестве активного шарнира, обеспечивая самотрансформацию сложных структур с большой деформацией и высоким модулем упругости. Эти структуры могут найти применение в легких конструкциях с несущей способностью.

Рисунок 8-16 Процесс печати и деформации

Насколько публикация полезна?

Нажмите на звезду, чтобы оценить!

Средняя оценка 0 / 5. Количество оценок: 0

Оценок пока нет. Поставьте оценку первым.

Так как вы нашли эту публикацию полезной...

Подписывайтесь на нас в соцсетях!

Сожалеем, что вы поставили низкую оценку!

Позвольте нам стать лучше!

Расскажите, как нам стать лучше?

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Прокрутить вверх