 Используя компоненты, изготовленные из умных материалов со слегка различной реакцией на тепло, исследователи показали технологию четырехмерной печати, которая позволит создать сложные саморазвивающиеся складывающиеся структуры.
Технология, разработанная исследователями в Технологическом институте Джорджии и Сингапурском университете технологии и дизайна, может быть использована для создания трехмерных структуры, которые последовательно складывают себя в компоненты, которые являются плоскими или свернутыми в трубку для доставки. Компоненты могут реагировать на такие стимулы, как температура, влажность или свет, в определенное время. Подобная технология может привести к созданию космических структур, развертываемых медицинских приборов, роботов, игрушек и ряду других структур.
Исследователи использовали полимеры памяти смарт-формы с возможностью запоминать одну форму и перейти к другой запрограммированной формы при равномерной подаче тепла. Возможность создавать объекты, которые меняют форму в контролируемой последовательности с течением времени, активируется посредством печати нескольких материалов с различными динамических механическими свойствами в предписанных моделей по всему трехмерному объекту. Когда эти компоненты затем нагреваются, каждый полимер реагирует с разной скоростью, чтобы изменить его форму, в зависимости от своего собственного внутреннего таймера.
Исследование приведет к созданию самостоятельно складных структур от 3D печатных моделей, содержащих различные количества разных умных полимеров. 3D принтер позволит создавать плоские компоненты, которые будут иметь различную временную реакцию на одни и те же раздражители. В ранних методах требовалось применение дифференциального нагревания в определенных местах в плоскую структуру, чтобы стимулировать изменения формы.
Предыдущие попытки создать компонента с последовательными изменениями формы заключались в размещении нескольких обогревателей в определенных местах в компоненте, и последующего контролирования времени активации отдельных нагревателей. Подобный подход требовал существенного контроля тепла, проходящего через компонент в пространстве и времени, и являлся сложным. Исследователи изменили этот подход и использовали пространственно однородную температуру, которую легче применять, а затем использовали способность различных материалов для внутреннего контролирования их скорости изменения формы через их молекулярную конструкцию.
Команда продемонстрировала подход на серии примеров, включая в себя механизм, который может быть переключен из плоской полосы в запертую конфигурацию по мере того, как один конец изгибается и проводит себя через замочную скважину. Они также показали плоский лист, который может самостоятельно складываться в трехмерную коробку с перекраиваемыми зажимами. Все эти примеры требуют точного контроля складной последовательности различных частей конструкции, чтобы избежать столкновения компонентов во время складывания.
Исследователи эксплуатировали способность 3D печати смарт-полимеров и точно интегрировали до десяти различных материалов точно в 3D структуру. Теперь они расширяют эту концепцию для того, чтобы печать полимеры с динамическими механическими свойствами, которые непрерывно колеблются в 3D пространстве.
Ученые использовали конечные расчеты элементов для предсказать реакции 3D печатных компонентов, которые были сделаны из различных соотношений двух различных полимеров с памятью формы. Упрощенная модель пониженного порядка была разработан, чтобы быстро и точно описать физику процесса самостоятельного складывания.
Важным аспектом самостоятельного складывания является управление столкновениями, где различные части складной конструкции входят в контакт, а затем блокируют дальнейшие складывания. Метрика разработана для предсказания столкновений и используется совместно с моделью пониженного порядка для разработки собственных складных структур, которые превращаются в стабильные желаемые конфигурации.
Исследовательская группа предполагает широкий спектр приложений для их технологии. Например, беспилотник может изменить форму для перехода от воздушного полета до подводного плавания. Также возможно разработка 3D компонентов, предназначенных для складывания или закатывания в пробирки, чтобы они могли легко транспортироваться, а затем деформировались в их предполагаемую трехмерную конфигурацию для последующего использования.
|
