La 4D spausdinimas su siera Ji tampa viena ryškiausių tyrimų krypčių, kurioje susikerta naujos medžiagos ir minkštoji robotika. Pradedant nuo... elementinės sieros perteklius iš naftos perdirbimoPietų Korėjos komanda sukūrė sistemą, skirtą gaminti deformuojančius, judančius ir perdirbamus komponentus, kuriems nereikia variklių ar klijų – problemą, kurią iki šiol buvo sunku išspręsti.
Šis požiūris siūlo pakeisti mąstyseną: tai, kas anksčiau buvo nepatogus šalutinis produktas jis tampa pagrindu programuojami minkšti robotaigalintis reaguoti į šilumą, šviesą ar magnetinius laukus. Be mokslinio poveikio, pasiūlyme pristatoma idėja gamyba beveik uždara grandinėkur dalys pakartotinai naudojamos neprarandant našumo.
La 4D spausdinimas su siera pramonines atliekas iškelia į naujos kartos centrą programuojami ir perdirbami minkšti robotaiŠie prototipai gali judėti veikiami paprastų dirgiklių ir būti surinkti be klijų. Nors dar reikia nueiti ilgą kelią, kol šie prototipai taps komerciniais produktais, šis metodas puikiai dera su tvaresnių išmaniųjų medžiagų paieškomis ir parodo, kaip sunkiai valdomas perteklius gali tapti pagrindiniu ateities robotikos komponentu.
Kas tiksliai yra 4D spausdinimas su siera?
Kai tu kalbi apie Spausdinti 4DKalbama ne apie paslaptingą ketvirtąjį matmenį, o apie integravimą laiko faktorius atspausdinto objekto elgsenai. Skirtingai nuo įprasto 3D spausdinimo, kuris sukuria statines dalis, čia struktūros yra „programuojamos“ taip, kad pakeisti formą ar standumą kai jie gauna tam tikrus išorinius dirgiklius.
Šios sieros pagrindu sukurtos technologijos atveju spausdintos dalys gali sulankstyti, išskleisti arba atkurti ankstesnę geometriją Taikant šilumą arba šviesą, panašiai kaip kai kurie plastikiniai lakštai susitraukia arba deformuojasi kaitinant. Skirtumas tas, kad čia ši reakcija yra suplanuota nuo pat pradžių, tiksliai ir turint aiškų funkcinį tikslą.
Sieros vaidmuo nėra anekdotinis: ji gaunama iš naftos pramonės atliekoskur kasmet susikaupia milijonai tonų šio elemento. Užuot jį saugoję neribotą laiką, naujasis metodas integruoja jį į pažangią gamybos sistemą, suderindamas robotikos inovacijos ir pramonės pertekliaus mažinimas.
Šis spausdinimo metodas taip pat suteikia pačiai medžiagai tam tikro „intelekto“. Robotui judėti nepridedamas išorinis elektroninis modulis; vietoj to jis remiasi būdingomis medžiagos savybėmis. polimero vidinės savybės kad konstrukcija tiksliai reaguotų, kai nusprendžia aplinka ar naudotojas.
PSN polimeras: sieros turtingi tinklai su formos atmintimi
Pasiūlymo esmė – naujas sieros turtingas polimeras, apibūdinamas kaip poli(fenileno polisulfido) tinklai arba PSNStruktūriniu lygmeniu tai yra sieros atomais sujungtų grandinių tinklas, kažkas panašaus į molekulinių „spagečių“ groteles, sujungtas kartu, todėl susidaro ištisinė ir tvirta medžiaga.
Lemiamas bruožas yra jo stiklėjimo temperatūraTai yra taškas, kai medžiaga pereina iš standesnės būsenos, panašios į plastikinę kortelę, į minkštesnę, labiau guminę. Pasinaudojant šia riba, dalys gali išlaikyti savo formą šaltyje ir tampa kalūs, kaitinami iki atitinkamos temperatūros.
Dėl šio kontroliuojamo perėjimo, naudojant PSN atspausdintos struktūros pasižymi formos atminties savybėsKitaip tariant, jie gali laikinai deformuotis ir, pašalinus arba pakeitus stimulą, grįžti į iš anksto nustatytą konfigūraciją. Toks elgesys yra labai svarbus norint pasiekti pasikartojančius judesius nesinaudojant tradiciniais mechanizmais.
Sieros turtingo cheminio tinklo ir formos atminties derinys leidžia sukurti komponentus, kurie veikia kaip minkšti „raumenys“ arba „vyriai“. Rezultatas yra toks: lankstūs robotai kurio judėjimo gebėjimas yra tiesiogine prasme integruotas į pačią pradinę medžiagą.
Judėjimas be variklių: šiluma, šviesa ir magnetiniai laukai
Užuot integravę servovariklius, pavaras ar didelių gabaritų baterijas, šie minkšti įrenginiai aktyvuojami nemechaniniai dirgikliaiPirmieji veiksniai yra šiluma ir šviesa: keičiant PSN polimero temperatūrą arba kontroliuojamai jį apšvitinant, detales galima sulankstyti, ištempti arba išlenkti pagal užprogramuotą modelį.
Be šilumos ir apšvietimo valdymo, tyrėjai tyrinėjo ir naudojimą campos magneticosNorėdami tai pasiekti, jie sumaišė polimerą su maždaug vienu 20 % magnetinių daleliųsukuriant kompozicinę medžiagą, reaguojančią į išorinius magnetus. Tokiu būdu buvo sukurti maži, mažesni nei 1,3 centimetro dydžio robotai, galintys judėti vadovaujami išorinio valdymo.
Šis magnetinio valdymo tipas primena sąvaržėlės valdymą magnetu po stalu, tačiau yra daug tikslesnis. Robotui nereikia sudėtingų vidinių komponentų: pakanka pakeisti magnetinio lauko kryptį ar intensyvumą, kad įrenginys veiktų. keisti savo trajektoriją ar laikyseną.
Variklių nebuvimas taip pat reiškia mažiau gedimų vietų, mažesnius priežiūros reikalavimus ir lengvesnį integravimą į aplinką, kurioje erdvė ar saugumas yra labai svarbūs, pavyzdžiui, biomedicinos taikymai arba apžiūrai siaurose erdvėse.
Lazerinis cheminis suvirinimas: modulinis surinkimas be klijų
Kitas svarbus proceso aspektas yra surinkimo sistema. Vietoj klijų, varžtų ar mechaninių tvirtinimo detalių, PSN dalys sujungiamos naudojant lazeriu aktyvuotas cheminis suvirinimas artimasis infraraudonasis spinduliavimas. Vos per maždaug aštuonias sekundes trunkančią ekspoziciją kontaktinėje zonoje įvyksta sieros jungčių pertvarkymas.
Per tą trumpą laiką kai kurie sujungimai kontroliuojamai nutrūksta ir vėl susijungia, šį kartą sujungdami dvi dalis. Rezultatas – tiesioginis sujungimas, be papildomų medžiagos sluoksnių ir be tipinių klijų problemų, tokių kaip degradacija laikui bėgant ar sunkumai perdirbant konstrukciją.
Pašalinus klijus, sistema palengvina struktūrinis vientisumas pavyzdžiui, perdirbamumas, nes visas surinkimas iš esmės išlieka tas pats pradinis polimeras. Šis metodas sumažina surinkimo etapus ir supaprastina gamybą. keičiami moduliai.
Galimybė selektyviai suvirinti lazeriu taip pat leidžia dirbti su sudėtingomis geometrijomis ir labai specifiniais sujungimo taškais, o tai yra esminis dalykas ieškant minkštųjų robotų su tiksliai suderintais judesiais.
Struktūrų pavyzdžiai: mini Sagrada Familia ir kirminus primenantys robotai
Norėdami pademonstruoti savo platformos galimybes, tyrėjai pagamino seriją miniatiūriniai architektūriniai modeliai ir minkštųjų robotų prototipus. Tarp ryškiausių pavyzdžių yra sumažinta versija Šventoji šeima ir stadionas su ištraukiamu stogu, abu surinkti iš atskirai atspausdintų kaladėlių.
Šie modeliai tarnauja kaip įrodymas, kad geometrinis tikslumas ir galimybę statyti sudėtingas modulines konstrukcijas. Kiekvienas blokas taip pat gali keisti formą, kai jį veikia šiluma ar šviesa, todėl modelis yra ne tik dekoratyvus, bet ir dinamiškas.
Grynai robotų srityje komanda parodė kirminų tipo robotai galintys judėti, suaktyvinti išorinių dirgiklių. Kai kurie yra pagrįsti šiluminiais pokyčiais, o kiti naudoja magnetinių dalelių įtraukimą, kad sektų iš išorės generuojamus laukus.
Šie prototipai dar toli gražu nebenaudojami kasdien, tačiau jie aiškiai iliustruoja technologijos potencialą: minkšti kūnai be vidinių variklių, kurie gali žengti į priekį, sulenkite ar įveikite kliūtis priklausomai nuo signalo, kurį jie gauna.
Uždarojo ciklo perdirbimas ir sieros tvarumas
Pagrindinis šio požiūrio privalumas yra jo orientacija į efektyvus perdirbimasRemiantis komandos pateiktais duomenimis, kai detalė ar robotas nebenaudojamas, PSN medžiaga gali būti naudojama kaip gijos arba spausdinimo derva, be pastebimo tūrio ar mechaninių savybių praradimo.
Toks elgesys artimas idėjai apie uždarojo ciklo gamybakai ta pati medžiagos partija pereina kelis spausdinimo, naudojimo ir pakartotinio naudojimo ciklus. Sektoriams, siekiantiems sumažinti savo aplinkosauginį pėdsaką, tokia schema yra akivaizdžiai patraukli.
Tuo pačiu metu siūlomas technologinis sprendimas, sieros perteklius, susidarantis perdirbant naftąkurios iki šiol kaupdavosi dideliais kiekiais arba buvo naudojamos ribotam naudojimui. Šių atliekų pavertimas žaliava minkštajai robotikai sukuria žiedinės ekonomikos aspektą, kurį sunku ignoruoti.
Europos kontekste, kur aplinkosaugos reglamentai ir dekarbonizacijos tikslai tampa vis griežtesni, tokio tipo sprendimai, kurie apjungia atliekų tvarkymas ir aukštosios technologijos Tai galėtų būti ypač įdomu tiek chemijos pramonei, tiek pažangios robotikos įmonėms.
Galimi pritaikymai minkštojoje robotikoje ir susijusiose srityse
La minkšta robotika Jis buvo tiriamas jau daugelį metų kaip alternatyva klasikiniams standiesiems robotams, ypač tose srityse, kuriose labai svarbus saugumas, prisitaikymas ir subtilumas. Medicinos prietaisai, kurie sąveikauja su audiniais, vaistų tiekimo sistemos ir griebtuvai, kurie tvarko trapius produktus, yra vieni iš dažnai minimų scenarijų.
Sieros atliekų pagrindu sukurtos medžiagos siekia vienu metu atitikti kelis reikalavimus: reakcija į dirgiklius, mechaninis atsparumas ir perdirbimo galimybėsTai atveria duris įrenginiams, kurie, pavyzdžiui, gali judėti siaurais žmogaus kūno praėjimais, kelionės metu pritaikydami savo formą, arba tikrinimo įrankiams sunkiai pasiekiamoje pramoninėje aplinkoje.
Taip pat svarstomi galimi panaudojimo būdai pramoninė automatizacija ir logistikakur perkonfigūruojamos modulinės struktūros galėtų greitai pakeisti užduotis, ir greitam sistemų, kurioms reikia pakartotinių bandymų, prototipų kūrimui nenaudojant didelio kiekio naujos medžiagos.
Nors kol kas darbas daugiausia vyksta laboratorijoje, 4D spausdinimo, perdirbamų medžiagų ir gausių atliekų šaltinių derinys rodo galimą kelią link bandomųjų linijų ir pritaikymo arčiau rinkos.
Kas slypi už tyrimų ir artėjančių iššūkių
Iniciatyvai vadovauja Dr. Dong-Gyun Kim, iš Korėjos cheminės technologijos tyrimų instituto (KRICT) kartu su profesoriumi Jeong Jae Wie iš Hanyang universiteto ir profesorius Yong Seok Kim iš Sejongo universiteto. Projektą finansavo Korėjos nacionalinis tyrimų fondas ir JAV armijos tyrimų laboratorijaTai atspindi tiek civilinį, tiek strateginį susidomėjimą šio tipo medžiagomis.
Rezultatai buvo paskelbti žurnale Advanced Materials, vienas iš pirmaujančių leidinių medžiagų mokslo srityje. Ši detalė rodo, kad mokslo bendruomenė šią pažangą įvertino pakankamai rimtai, kad ją atkreiptų tarptautinis dėmesys.
Tarp laukiančių iššūkių išsiskiria šie: pramoninis mastelio keitimasMedžiagos stabilumas realiomis ilgalaikio naudojimo sąlygomis ir patvirtinimas sveikatos priežiūros ar sudėtingose srityse bus labai svarbūs. Taip pat bus svarbu ištirti, kaip perdirbimo sistema elgsis po kelių iš eilės einančių ciklų.
Tačiau ši darbo kryptis atveria perspektyvią erdvę bendradarbiavimui tarp tyrimų centrų, chemijos pramonės, robotikos įmonių ir, Europos atveju, subjektų, besidominčių sprendimais, kurie derina technologinį konkurencingumą ir atliekų mažinimą.
Siūlomas 4D spausdinimas su siera pramonines atliekas iškelia į naujos kartos branduolį. programuojami ir perdirbami minkšti robotaiŠie prototipai gali judėti veikiami paprastų dirgiklių ir būti surinkti be klijų. Nors dar reikia nueiti ilgą kelią, kol šie prototipai taps komerciniais produktais, šis metodas puikiai dera su tvaresnių išmaniųjų medžiagų paieškomis ir parodo, kaip sunkiai valdomas perteklius gali tapti pagrindiniu ateities robotikos komponentu.