Η 4D εκτύπωση, είναι ένας όρος που επινοήθηκε από τον Skylar Tibbits στο Ted Talk του 2013, προσδιόριζε τη δημιουργία υλικών που θα μπορούσαν να κατασκευάζονται και στη συνέχεια να αυτο-συναρμολογούνται σε μία δεύτερη προγραμματιζόμενη κατάσταση.
Ο μετασχηματισμός θα μπορούσε να ελεγχθεί με τη χρήση έξυπνων υλικών, που αλλάζουν κατάσταση από μόνα τους σε μια προκαθορισμένη και προγραμματιζόμενη σειρά κινήσεων.
Ήδη έχουμε δει απλά αντικείμενα 4D να μεταμορφώνονται, αλλά μέχρι τώρα απαιτούνταν μια σειρά από πολύπλοκα ερεθίσματα που πρέπει να στοχεύουν τα αντικείμενα σε συγκεκριμένα χρονικά διαστήματα.
Μια ομάδα ερευνητών από το Georgia Institute of Technology και το Singapore University of Technology and Design, ανέπτυξε μια νέα 4D διαδικασία που δίνει τη δυνατότητα δημιουργίας πολύπλοκων δομών αυτο-αναδίπλωσης που χρειάζεται μόνο ένα είδος ερεθίσματος.
Τα 4D συστατικά, φτιάχτηκαν με το συνδυασμό διάφορων έξυπνων υλικών με μνήμη σχήματος, που το καθένα έχει ελαφρώς διαφορετικές αντιδράσεις στην θερμότητα.
Τα υλικά συνδέθηκαν με τέτοιο τρόπο, ώστε όταν εκτίθενται σε μια μόνο πηγή θερμότητας, το υλικό θα προβεί σε ακριβείς και χρονικά καθορισμένες δράσεις, που επιτρέπουν στις τρισδιάστατες δομές να αυτο-συναρμολογούνται χωρίς τα διάφορα κομμάτια να συγκρούονται.
Όπως εξήγησε ο καθηγητής της σχολής Μηχανολογίας και Μηχανικής στο Georgia Tech, Jerry Qi:
“Προηγούμενες προσπάθειες για τη δημιουργία διαδοχικού σχήματος αντικατάστασης των εξαρτημάτων, επικεντρώνονταν στην τοποθέτηση πολλαπλών θερμοπομπών σε συγκεκριμένες περιοχές σε ένα στοιχείο και στη συνέχεια τον έλεγχο του χρόνου (on- off) των επιμέρους θερμοπομπών.
Αυτή η προηγούμενη προσέγγιση, απαιτεί ουσιαστικά τον έλεγχο της θερμότητας που εφαρμόζεται τόσο στον χώρο, όσο και στον χρόνο και είναι πολύπλοκη.
Αλλάξαμε αυτή την προσέγγιση και χρησιμοποιήσαμε χωρικά ομοιόμορφη θερμοκρασία, η οποία είναι ευκολότερο να εφαρμοστεί. Στη συνέχεια αξιοποιήσαμε τις δυνατότητες διαφορετικών υλικών, ώστε να ελέγχουμε τον ρυθμό μεταβολής του σχήματος με βάση τον μοριακό σχεδιασμό τους.”
Η τεχνολογία αυτή θα μπορούσε να επιτρέψει την ανάπτυξη των προϊόντων που μπορούν να κατασκευαστούν ή να εκτυπωθούν σε 3D και να είναι εντελώς επίπεδα ή να τυλίγονται σε ένα σωλήνα για την αποστολή τους.
Μόλις είναι έτοιμο για συναρμολόγηση, μια πηγή θερμότητας μπορεί να εφαρμοστεί, με αποτέλεσμα το επίπεδο αντικείμενο να ανταποκριθεί με κινήσεις ακρίβειας χρόνου και να συναρμολογηθεί σε μια τρισδιάστατη δομή.
Το σύστημα αυτό θα μπορούσε να έχει πολλαπλές εφαρμογές, όπως τα αυτο-συναρμολογούμενα καταφύγια, την ανάπτυξη ιατρικών συσκευών, την απλή ρομποτική και τα διαδραστικά παιχνίδια.
Η ερευνητική ομάδα πρότεινε ακόμη ότι θα μπορούσε να εφαρμοστεί σε κάτι τόσο περίπλοκο όπως ένα μη επανδρωμένο όχημα αέρος (drone).
Το drone θα μπορούσε να αναλάβει μία διάταξη για τη διατήρηση ύψους πλεύσης και στη συνέχεια να μετατραπεί απότομα σε μια δεύτερη διάταξη για μια ελεγχόμενη βουτιά ή προσγείωση.
Τα αντικείμενα της δοκιμής, που δημιουργήθηκαν από την ερευνητική ομάδα, τυπώθηκαν με τη χρήση έξυπνων υλικών με μνήμη σχήματος (Shape Memory Polymers SMP),
Τα υλικά αυτά είχαν προγραμματιστεί σε μοριακό επίπεδο να διατηρούν ένα σχήμα, μέχρι να εφαρμοστεί μια πηγή ομοιόμορφης θερμότητας που θα τα προκαλέσει να αλλάξουν αυτόματα τη μοριακή τους διάταξη.
Συγκεκριμένα, η ομάδα τύπωσε σε 3D ένα επίπεδο σχήμα από πολλά υλικά μαζί, δημιουργώντας μία ελεγχόμενη αλληλουχία πολύπλοκης αυτο-συναρμολόγησης.
Αυτή η διαδικασία των χρονομετρημένων κινήσεων, γίνεται εφικτή επειδή κάθε υλικό ανταποκρίνεται στο ζεστό νερό με διαφορετικό ρυθμό.
Επειδή τα υλικά έχουν ξεχωριστά εσωτερικά ρολόγια ανταπόκρισης στη θερμότητα και είναι πολλά υλικά αναμειγμένα, επιτρέπουν στο επίπεδο να αυτο-συναρμολογηθεί σε κύβο, χωρίς τα διάφορα στοιχεία του να συγκρούονται μεταξύ τους.
Σε ένα επεξηγηματικό έγγραφο που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature Publishing, οι ερευνητές εξήγησαν:
“Μια σημαντική πτυχή της αυτο-αναδίπλωσης είναι η διαχείριση των συγκρούσεων, όπου διαφορετικά τμήματα της δομής έρχονται σε επαφή και αποτρέπουν την περαιτέρω αναδίπλωση.
Μια μέτρηση που έχει αναπτυχθεί για την πρόβλεψη των συγκρούσεων χρησιμοποιείται μαζί με το μοντέλο μείωσης εντολών, ώστε να σχεδιάσει δομές αυτο-αναδίπλωσης που κλειδώνουν στην σταθερή επιθυμητή μορφή.”
Εκτός από τον αυτο-συναρμολογούμενο κύβο, οι ερευνητές δημιούργησαν επίσης ένα μηχανισμό που ξεκινά ως μια επίπεδη λωρίδα και μετακινείται προς μία δεύτερη που σχηματίζει θηλιά, με ένα από τα άκρα να λυγίζει και στη συνέχεια να περνάει μέσα από τη θηλιά.
Η διαδικασία 4D μπορεί να ενσωματώσει μέχρι και δέκα επιμέρους υλικά μαζί σε 3D δομή και η ερευνητική ομάδα τώρα πειραματίζεται με το συνδυασμό των υλικών που θα αναδείξουν ιδιότητες δυναμικής μηχανικής.
Η ερευνητική ομάδα αποτελείται από τους, Martin L. Dunn, Η. Jerry Qi, Yiqi Mao, και άλλους τρεις συνεργάτες του Georgia Tech, τους Kai Yu, Michael Isakov και Jiangtao Wu και χρηματοδοτήθηκε από το Γραφείο Επιστημονικής Έρευνας της Πολεμικής Αεροπορίας των ΗΠΑ, το Αμερικανικό Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών και το Εθνικό Ίδρυμα Ερευνών της Σιγκαπούρης, μέσω του SUTD DManD (Κέντρο Ψηφιακού Σχεδιασμού Παραγωγής).
3DPrint
