3D-принтер обычно заканчивает свою работу в тот момент, когда последняя капля или слой материала занимает нужное место. Получившаяся деталь должна сохранять заданную форму и выполнять предусмотренную инженерами функцию. Но что, если напечатанный объект продолжит меняться уже после изготовления?
Именно на этой идее построена 4D-печать. Термин получил широкую известность благодаря исследователю Скайлару Тиббитсу в 2013 году, а за прошедшие годы технология превратилась в отдельное перспективное направление аддитивного производства.
Что такое 4D-печать?
Несмотря на название, речь не идет о принтерах, способных печатать в четырех пространственных измерениях. Четвертым измерением здесь выступает время.
Как и при обычной 3D-печати, объект создается послойно по цифровой модели. Главное отличие проявляется позже: используемые материалы заранее программируются на определенную реакцию на окружающую среду.
Триггером может стать нагрев, охлаждение, вода, изменение влажности или кислотности, свет, электричество либо магнитное поле. После воздействия напечатанная конструкция способна самостоятельно согнуться, развернуться, увеличиться в объеме или принять другую заранее предусмотренную форму.
Например, компактно напечатанная конструкция после попадания в воду может постепенно развернуться. Причем для трансформации ей необязательно нужны моторы, шарниры или другая сложная механика — необходимое поведение заложено непосредственно в материал и геометрию изделия.
Чем 4D-печать отличается от 3D-печати?
Главное различие заключается не столько в самом принтере, сколько в том, что происходит с объектом после печати.
При традиционной 3D-печати инженер стремится получить деталь определенной формы и сохранить эту геометрию на протяжении всего срока эксплуатации. В случае 4D-печати изменение формы, наоборот, становится частью конструкции.
При этом обе технологии могут использовать похожее оборудование. Поэтому 4D-печать правильнее рассматривать не как совершенно новый способ производства, а как сочетание аддитивных технологий, программируемой геометрии и так называемых умных материалов.
Какие материалы способны менять форму?
Один из основных вариантов — полимеры с памятью формы. После программирования они способны возвращаться к определенной конфигурации, например при нагревании.
Другой перспективный класс материалов — гидрогели. Они поглощают воду и увеличиваются в объеме либо, наоборот, сжимаются при изменении окружающих условий. Исследователи также экспериментируют с жидкокристаллическими эластомерами, самовосстанавливающимися полимерами и композитами.
Особенно интересные возможности появляются при объединении нескольких материалов в одном объекте. Если разные его части реагируют на внешний раздражитель неодинаково, инженеры могут заранее запрограммировать направление изгиба, складывания или более сложной трансформации всей конструкции.
Зачем нужна 4D-печать?
Одним из наиболее перспективных направлений считается медицина. Исследователи рассматривают возможность создания имплантатов, систем доставки лекарств и элементов тканевой инженерии, которые смогут менять свои свойства непосредственно внутри организма.
Например, медицинское устройство теоретически можно изготовить в компактном состоянии, а после помещения в организм оно самостоятельно примет необходимую форму. Другой вариант — материал, который реагирует на определенные химические изменения и высвобождает лекарственное вещество при заданных условиях.
Не менее интересна технология для мягкой робототехники. Меняющиеся материалы потенциально способны выполнять функции приводов без традиционных электродвигателей и сложных механических систем.
В аэрокосмической отрасли подобный принцип может использоваться для компактных развертываемых конструкций. Деталь отправляется в космос в сложенном состоянии, экономя место внутри ракеты, а после достижения орбиты самостоятельно разворачивается под воздействием заданного триггера.
Похожие идеи рассматриваются для электроники, автомобилей, умного текстиля и строительства. Во всех этих случаях привлекательность технологии заключается в возможности создать конструкцию, которая не просто существует в заданной форме, а адаптируется к изменению окружающих условий.
Почему мы еще не печатаем такие вещи дома?
Несмотря на более чем десятилетие исследований, 4D-печать пока остается преимущественно лабораторной технологией. Создать объект, который один раз эффектно сложится при нагревании, сравнительно просто. Гораздо сложнее добиться от него точного и предсказуемого поведения на протяжении длительного срока эксплуатации.
Инженерам необходимо контролировать скорость и точность трансформации, долговечность материала и возможность многократно повторять изменение формы. Дополнительные сложности возникают при масштабировании технологии от небольших лабораторных образцов до крупных промышленных деталей.
Поэтому 4D-печать вряд ли станет прямой заменой привычной 3D-печати. Скорее технологии будут существовать параллельно: первая подойдет для обычных статичных деталей, а вторая — для случаев, когда объект должен реагировать на окружающую среду.
Именно здесь заключается главное отличие двух подходов. При 3D-печати инженеру необходимо решить, какую форму должен иметь объект. 4D-печать добавляет к этому еще один вопрос: что объект должен сделать после того, как его напечатали?
