Исследователи Токийского университета разрабатывают новый метод 4D-печати для более эффективного и устойчивого производства

Исследователи из Токийского университета представили новый метод, сочетающий 2D-печать, оригами и химию, позволяющий добиться быстрого изготовления 3D-объектов без образования каких-либо материальных отходов.

Этот метод, известный как 4D-печать, представляет собой особый подход к 3D-производству, позволяющий преодолеть ограничения и открыть интригующие перспективы для различных отраслей. В отличие от традиционных методов послойной 3D-печати, которые приводят к увеличению времени производства и увеличению отходов материала, исследователи черпали вдохновение в 4D-печати. Здесь материалы с уникальными свойствами самостоятельно складываются в сложные трехмерные формы при определенных условиях, используя время как решающий аспект трансформации.

«Нашей самой большой задачей было уточнение вариантов оборудования и материалов, на что ушло больше года, чтобы сузить их до окончательного выбора», — сказал Коя Наруми, доцент кафедры электротехники и информационных систем Токийского университета. «Но все пробы и ошибки того стоили; По сравнению с предыдущими исследованиями, посвященными той же основной идее, мы улучшили выходное разрешение в 1200 раз, а это означает, что проекты, которые мы можем создать, являются не просто новинками, но и могут быть использованы для реальных приложений. В будущем мы можем изучить функциональные материалы, такие как проводящие или магнитные чернила, которые можно будет использовать для машин и других функциональных устройств».

Новый метод быстрого и безотходного производства.

В основе технологии лежит специализированный струйный принтер, предназначенный для работы с материалами, реагирующими на УФ-излучение. Хотя эти принтеры могут потребовать более высокой стоимости, они легко доступны в сообществах производителей и общих мастерских. Принтер с высокой точностью наносит двухмерный рисунок оригами на обе стороны термоусадочного пластикового листа. Кроме того, чернила, используемые в процессе печати, остаются неизменными во время последующей усадки, что гарантирует сохранение гибкости даже после высыхания. Стратегически предусматривая промежутки между участками чернил с обеих сторон, дизайнеры получают точный контроль над направлением сгиба листа.

Процесс самоскладывания запускается путем нагревания плоского листа горячей водой. В результате такого теплового воздействия базовый лист подвергается усадке. Во время этого процесса чернила, обладающие устойчивостью к усадке, играют решающую роль, заставляя материал самопроизвольно складываться в сложную структуру, подобную оригами.

«Моя команда и я узнали, как использовать доступные инструменты и материалы для создания самоскладывающихся 4D-объектов», — добавил Наруми. «По сути, мы создаем плоские листы с узорами оригами на них, и эти узоры могут быть сложными, и даже у опытного мастера оригами на их формирование уходят часы. Но благодаря нашему специальному процессу вы можете залить эти плоские листы горячей водой и наблюдать, как за считанные секунды они принимают сложные трехмерные формы».

Исследователи выразили энтузиазм по поводу значительного потенциала уникальной техники в различных приложениях. Среди них индустрия моды может выиграть, поскольку она часто сталкивается с потерями материалов, особенно в контексте индивидуального дизайна. Способность технологии транспортировать 4D-напечатанные изделия, пока они остаются плоскими, предлагает привлекательное решение для решения логистических и складских проблем, что делает ее прагматичным вариантом для аварийного восстановления. Предметы первой необходимости, такие как медицинское оборудование, можно распечатать в виде плоских форм и на месте превратить в полнофункциональные 3D-объекты.

По словам исследователей, процесс 4D-печати в настоящее время постоянно исследуется и развивается, что дает представление о потенциальном будущем, в котором быстрое и безотходное производство может стать реальностью. Исследователи заявили, что они «с нетерпением ожидают» его практического внедрения и влияния на различные отрасли.

4D-печать: следующий рубеж в 3D-производстве

Исследователям Тяньцзиньского университета из Китая удалось напечатать на 4D-принтере самоходного мягкого робота, способного самостоятельно передвигаться. Робот, изготовленный из жидкокристаллического эластомера, имел трубчатую структуру, которая подвергалась самосборке под воздействием тепла. С помощью хитро запрограммированных шаблонов складывания исследователи вызвали напряжение внутри тела робота, позволив ему катиться, подобно бревне. Примечательно, что этот напечатанный на 4D-принтере мягкий робот продемонстрировал превосходные возможности, включая перемещение по плоским поверхностям, подъем на уклон 20° и успешную переноску груза, в 40 раз превышающего его собственную массу.