Τεχνικές 4D εκτύπωσης: Υλικά ευαίσθητα στις θερμοκρασίες

Μια διεθνής ομάδα επιστημόνων παρουσίασε το τελευταίο τους επίτευγμα: Μια μέθοδο 3D εκτύπωσης που επιτρέπει την εκτύπωση αντικειμένων με την ιδιότητα να μεταβάλουν μόνιμα το σχήμα τους όταν εκτεθούν σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Αυτή η μέθοδος που κατ’ ευφημισμό λέγεται 4D εκτύπωση, είναι το αποτέλεσμα της έρευνας που διεξήγαγαν: το «Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Γεωργίας» στις ΗΠΑ, το «Πανεπιστήμιο Τεχνολογίας της Σιγκαπούρης» και το «Πανεπιστήμιο Τεχνολογίας Ζιαν Ζιαντόνγκ» στην Κίνα.

Η 4D εκτύπωση που εισάγει την κίνηση και τον χρόνο στην 3D εκτύπωση αναπτύσσεται εδώ και αρκετό καιρό, με τους ερευνητές ανά τον κόσμο να σχεδιάζουν διαφορετικά υλικά που αντιδράνε σε διαφορετικά ερεθίσματα όπως το φως ή θερμοκρασία. Ως επί το πλείστον η υπάρχουσα έρευνα πάνω στη 4D εκτύπωση μέχρι τώρα βασιζότανε στη χρήση υδρογέλης, μια πολύ μαλακή ουσία. Και έτσι τα 3D εκτυπωμένα αντικείμενα ήταν δύσκολο να διατηρήσουν το σχήμα τους αφού μετατραπούν.

Με την έρευνα όμως των τριών ιδρυμάτων φαίνεται πώς είναι εφικτό να δημιουργηθούν 3D εκτυπωμένα αντικείμενα που θα μετατρέπονται μόνιμα, κάνοντας έτσι σημαντικά βήματα εμπρός στην τεχνολογία της 4D εκτύπωσης.

 

Η 4D εκτύπωση δημιουργείται εκτυπώνοντας 3D, σε στρώματα, πολυμερή με μνήμη σχήματος (shape memory polymers). Με το κάθε στρώμα να είναι επί της ουσίας προγραμματισμένο να αντιδράει διαφορετικά όταν εκτεθεί σε θερμότητα. Τα πολυμερή αυτά για όσους δεν γνωρίζουν είναι όπως λέμε, έξυπνα υλικά, που είναι σχεδιασμένα να «θυμούνται» το αρχικό τους σχήμα και να μπορούν να μεταμορφώνονται σε κάποια προκαθορισμένη θέση όταν θερμανθούν.

Και όπως πιστεύουν οι ερευνητές η μέθοδος αυτή απλουστεύει σημαντικά της την 4D εκτύπωση και αυξάνει τις δυνατότητές της με τον να βάζει την παράμετρο του μηχανικού προγραμματισμού στην 3D εκτύπωση. Αυτό επιτρέπει τον σχεδιασμό 3D εκτυπωμένων εξαρτημάτων σε ηλεκτρονικές προσομοιώσεις και μετά την άμεση εκτύπωσή τους έτοιμα για χρήση.

Για την παρουσίαση της νέας τεχνικής 3D εκτύπωσης η ομάδα σχεδίασε διάφορα αντικείμενα, όπως ένα λουλούδι με πέταλα που απλώνονται και μαζεύονται με τις αλλαγές της θερμοκρασίας, και ένα πέτασμα που εκτείνεται και κλείνει με τον ίδιο τρόπο.

Τα σύνθετα αυτά υλικά, αποτελούνται από δύο τμήματα. Το ένα είναι μαλακό αλλά μπορεί να προγραμματιστεί να περιέχει εσωτερική τάση ενώ το δεύτερο είναι άκαμπτο. Τα υλικά προγραμματίζονται έτσι ώστε το άκαμπτο υλικό να έχει σχήμα και μέγεθος που εμποδίζει το μαλακό να εκτονωθεί αφότου εκτυπωθεί. Και μετά με θέρμανση το άκαμπτο υλικό μαλακώνει και έτσι το μαλακό να χαλαρώνει με αποτέλεσμα να αλλάζει το σχήμα του αντικειμένου με ραγδαίο ρυθμό, μέσα σε λίγα μόλις δευτερόλεπτα.

Φυσικά η τεχνική βρίσκεται ακόμα σε εμβρυακό στάδιο. ΟΙ ερευνητές προσπαθούν να αναπτύξουν υλικά που να αντιδρούν και σε άλλα ερεθίσματα, όπως φως, υγρασία κλπ. Η ιδέα έχει βέβαια πάρα πολλές εφαρμογές, από απλούς αισθητήρες μέχρι κτήρια που να διπλώνονται και να ξεδιπλώνονται.