Учёные из Университета технологии и дизайна (Сингапур), в сотрудничестве с коллегами из MIT и Технологического института (Джорджии) создали и успешно протестировали новый метод четырёхмерной печати (да, и такая уже существует!).
Суть открытия заключается в возможности создания объектов из специальных материалов, обладающих памятью формы.
В основе процесса печати лежит свойство фоточувствительных материалов отвердевать под воздействием света проектора, в связи с чем исследователи дали технологии соответствующее название: проекционная микростереолитография.
Разработчики сообщают, что высокое разрешение печати позволяет материалу очень быстро реагировать на изменение температуры изменением своей формы. Кстати, в роли четвёртого измерения выступает время. Впрочем, обо всё по порядку.
Материалы с памятью формы
Одним из наиболее распространённых материалов, обладающих памятью формы, считается нитинол — сплав титана с никелем.
Суть самого явления заключается в том, что если, скажем, закалить пружину из этого материала, затем охладить её и распрямить, то под воздействием соответствующей температуры полученная нить свернётся обратно в пружину. Подобный эффект обусловлен спецификой структуры сплава — он состоит из мартенситов — эдаких продолговатых игольчатых зерен. После окончания процесса закаливания зёрна пребывают в естественном, ненапряженном состоянии. Однако при деформации в них возникает механическое напряжение, которое при нагреве возвращает материал в исходную форму.
Следует отметить, что памятью формы могут похвастаться не только сплавы — это свойство нередко наблюдается и у некоторых полимерных материалов.
Последние чаще всего состоят из двух компонентов: жёсткого и гибкого, отличающихся между собой температурной зависимостью. Кристаллическая структура жёсткого компонента нарушается при более высокой температуре, нежели гибкого, и именно первый как раз и отвечает за функцию восстановления формы. Вследствие деформации в нём возникает всё то же напряжение, которое не может высвободиться из-за окружающего его гибкого вещества, которое размягчается при нагревании и позволяет материалу вернуть прежнюю форму.
Что характерно, в отличие от сплавов, полимерные материалы могут вернуть свою исходную форму не только под влиянием температуры — существует ряд материалов, проделывающих этот «трюк» под воздействием светового излучения, электрического тока или химических веществ. Но нас интересует другое преимущество полимеров, коим является простота их обработки, позволяющая использовать их в качестве расходных материалов для трёхмерного принтера.
Авторы разработки делают акцент на том, что чем выше будет разрешение печати, тем более выраженным окажется эффект памяти, т.е., тем быстрее предмет сможет восстановить изначальную форму. А поскольку большинство современных методов ограничивается печатью элементов толщиной в несколько миллиметров, реакция готовых объектов была довольно «вялой». Недолго думая, учёные создали принципиально новую технологию печати, позволяющую изготавливать объекты не толще человеческого волоса.
Принцип новой технологии печати
В общем и целом, новый метод печати напоминает жидкостную 3D-печать, при которой отвердевание происходит под воздействие света, однако здесь в качестве источника света применили мощный проектор с яркими ультрафиолетовыми светодиодами.
Происходит всё так: в рабочую ёмкость принтера заливается раствор специального фоточувствительного полимера, после чего срезы изготавливаемого объекта проецируются слой за слоем.
Каждый последующий слой застывает на предыдущем, создавая в итоге требуемый трёхмерный объект. При этом, сливая в процессе один полимерный раствор и помещая в принтер другой, можно получить объект, состоящий из нескольких материалов с разными свойствами. Разработчики использовали по отношению к своему изобретению термин «4D-печать» по той причине, что их принтер определяет не только форму объекта, но и характер его поведения во времени, заключающийся в возможности восстановления после деформации.
Чтобы испытать работоспособность новой технологии на практике, исследователи напечатали с помощью трёхмерного принтера небольшой мягкий манипулятор из полимерного материала. В исходном состоянии «лепестки» захвата пребывают в закрытом состоянии. Достаточно лишь открыть их, поднести к предмету, который необходимо захватить, и прогреть воздух вокруг до температуры от 40 до 180 градусов. Как только это произойдёт, манипулятор в считанные секунды «захлопнет» створки, схватив небольшой предмет — скажем, болт.
Как утверждают разработчики, изобретённая ими технология может найти широкое применение, к примеру, в сфере медицины. В качестве одного из многих вариантов такого применения они приводят капсулы, которые будут автоматически высвобождать в организм жаропонижающие препараты в случае повышения температуры тела. Правда, для этого придётся создать материалы с соответствующей минимальной температурой активации процесса восстановления формы.
Остаётся лишь добавить, что трёхмерная печать из мягких материалов является довольно непростой технологической задачей, ведь за время, требуемое для отвердевания, материал может слегка деформироваться, нарушив тем самым требуемую форму изделия. Одним из решений этой проблемы является использование специальных гидрогелей. Применив в ходе печати дополнительный химический «отвердитель», который подавался в ячейки гидрогеля посредством тончайшей иглы, исследователи из Университета Флориды напечатали эдакую «медузу» и другие подвижные объекты. Впрочем, это уже тема для отдельного разговора.
В наше время технологии идут семимильными шагами, и когда-то лазерный принтер был диковинной новинкой. Сейчас же это обыденность, которая есть почти в каждом доме. Для сокращения расходов на печать, наша компания предлагает услугу заправки картриджей Xerox 106R02778 для лазерного принтера. Все работы выполняются с гарантией, и производятся, качественным японским тонером. Обращайтесь!
