Inżynierowie Zortrax dokonali przełomu w technologii druku 4D we współpracy z ESA

Drukarka Zortrax M300 Dual wykorzystana w projekcie druku 4D zrealizowanym przez Zortrax dla Europejskiej Agencji Kosmicznej.

Druk 3D to technologia wytwarzania przyrostowego, która umożliwia budowanie fizycznych, trójwymiarowych obiektów warstwa po warstwie w oparciu o model cyfrowy. Czwartym dodatkowym wymiarem dodanym w technologii druku 4D jest czas. Obiekty drukowane w 4D mogą zmieniać swoje właściwości, takie jak kształt, w odpowiedzi na różne bodźce jak temperatura, wilgoć, prąd elektryczny i wiele innych. Można to porównać do struktury origami, która pozostaje złożona w temperaturze pokojowej, ale rozkłada się po podgrzaniu.

Druk 4D wzbudził duże zainteresowanie przemysłu kosmicznego, ponieważ technologia ta może umożliwić inżynierom i projektantom misji kosmicznych zmniejszenie masy rozkładanych urządzeń, takich jak anteny, wysięgniki lub różne czujniki. Ciężar takich konstrukcji wykonanych w tradycyjny sposób jest zawsze sumą samego urządzenia oraz mechanizmu, który je rozkłada. Firma Astronika, jeden z kluczowych partnerów Zortrax w przemyśle kosmicznym, potrafi budować lekkie mechanizmy rozkładające wysięgniki i anteny przy zastosowaniu inżynierii precyzyjnej i zaawansowanych materiałów takich jak tytan. Gdyby udało się całkowicie pozbyć mechanizmów rozkładających, możliwe byłoby ograniczenie wagi i komplikacji w znacznie większym stopniu.

Demonstratory technologii druku 4D dostarczone do ESA; wydrukowany w 4D demonstrator ruchu gięcia podczas testów w siedzibie Zortrax.

Druk 4D zyskał popularność, kiedy zespół naukowców pracujących na MIT stworzył struktury drukowane, które mogły wykonać ruch w momencie gdy ich temperatura osiągnęła określony poziom. Chociaż wyniki wyglądały imponująco, pojawiło się kilka widocznych problemów, które rozwiązała firma Zortrax przy współpracy z ESA:

• Zmiana kształtu była wywoływana temperaturą otoczenia, które ogrzewało całą konstrukcję jednocześnie.
• Proces było trudno kontrolować – uruchomienie następowało wyłącznie gdy temperatura otoczenia osiągała określony poziom.
• Zmiana kształtu rozpoczęła się w stosunkowo niskiej temperaturze 40 stopni Celsjusza
• Ponieważ zmiana kształtu została wywołana przez czynniki środowiskowe wpływające na całość konstrukcji, nie było możliwości sekwencyjnego rozkładania takich struktur, co ograniczało ich zastosowania.

Budowa drukowanych w 4D mechanizmów wymaga trzech podstawowych komponentów: odpowiednich materiałów zapewniających efekt pamięci kształtu, właściwe oprogramowanie i drukarka 3D, która może wykonać części 4D. Zespół R&D w Zortrax wybrał pulę polimerów z pamięcią kształtu odpowiadających za ruch w systemie oraz pulę filamentów przewodzących prąd elektryczny, które miały działać jako elektrycznie aktywowane grzałki aktywujące zmianę kształtu w mechanizmie.

Spirala, która była pierwszą wersją wydrukowanego w 4D demonstratora ruchu skrętnego; finalny, wydrukowany w 4D demonstrator ruchu skrętnego (mechanizm po lewej, schemat ilustrujący zasadę jego działania po prawej).

Okazało się, że dostępne na rynku filamenty pamięci kształtu miały temperaturę zeszklenia do 55 ℃, co nie wystarczyło do zastosowań kosmicznych. Wydrukowany w 4D mechanizm z takimi filamentami aktywowałby się sam w temperaturach przekraczających 55 ℃, co zdarza się dość często na niskiej orbicie okołoziemskiej, gdy statek kosmiczny jest wystawiony na działanie promieni słonecznych. Z tego powodu Zortrax wykorzystał specjalny, wykonany na zamówienie filament FIBERFORCE NYLFORCE Conductive z pamięcią kształtu, którego temperatura zeszklenia wynosiła 75 ℃, czyli o 50% wyższa niż wszystkie dostępne na rynku alternatywy. Materiał został dostarczony, dokładnie przetestowany i uznany za odpowiedni do wykorzystania w prototypowych systemach druku 4D. W ostatnim kroku zespół sprawdził, czy dwa wybrane polimery można wydrukować w trybie druku dwumateriałowego umożliwiającego produkcję części wykonanych z dwóch różnych materiałów.

W ramach kontraktu z ESA Zortrax musiał opracować trzy demonstratory druku 4D, z których każdy prezentował inny rodzaj ruchu aktywowanego elektrycznie. Rodzajami ruchu, które interesowały ESA były: gięcie, skręt i rozkładanie.

Prace nad demonstratorem ruchu gięcia rozpoczęły się od zaprojektowania prostych, prostokątnych kształtów z przewodzącym prąd rdzeniem zapewniającym temperaturę potrzebną do aktywacji mechanizmu i warstwami zewnętrznymi wykonanymi z materiału z pamięcią kształtu. Od tych prostych konstrukcji, zespół R&D przeszedł do bardziej zaawansowanych projektów, ostatecznie kończąc na drążku zdolnym do wygięcia o około 30 stopni w ciągu minuty od włączenia zasilania.

Drugi demonstrator był nieco trudniejszy do wykonania, ponieważ w mechanizmach drukowanych w 4D ruch gięcia jest prostszy do uzyskania niż rotacja. Pierwszym podejściem była spiralna konstrukcja, która kurczyła się i powodowała tym samym ruch obrotowy w swoim centrum. Mechanizm jednak okazał się nieefektywny ze względu na długość linii przewodzących i wynikające z niej trudności z uzyskaniem odpowiedniej temperatury. Z drugiej strony, krótsze i cieńsze wersje tego prototypu były bardzo delikatne i nie mogły wygenerować wystarczającego momentu obrotowego.

Z tego powodu zespół opracował zupełnie nowy mechanizm, przypominający zasadą działania sprężynę, który miał krótkie linie przewodzące i mógł generować wystarczający moment obrotowy, aby obrócić wydrukowaną w 3D obudowę o 30 stopni bez wykorzystania smarów czy łożysk, po włączeniu zasilania.

Ostatnim i najbardziej skomplikowanym projektem był demonstrator ruchu wdrożeniowego. Zespół Zortrax zaczął od dość złożonej trójlistnej membrany z liśćmi zamykającymi się jak płatki kwiatów pod wpływem prądu elektrycznego. Okazało się to zbyt skomplikowane, a ruch był dość powolny – przejście membrany od pozycji otwartej do pozycji zamkniętej zajmowało ponad kwadrans. W kolejnych wersjach zmniejszono liczbę liści do dwóch, a następnie do jednego. Za pomocą dwóch z tych jednoskrzydłowych membran udało się zbudować jednorazowo odwracalny mechanizm, w którym efekt pamięci kształtu jednej membrany programował ruch w drugiej membranie. W ten sposób możliwe było uzyskanie przejścia demonstratora od pozycji zamkniętej do pozycji otwartej oraz powrotu do pozycji zamkniętej za pomocą sekwencyjnego uruchamiania kolejnych obwodów elektrycznych.

Wydrukowane w 4D demonstratory rozkładania po lewej i demonstratory ruchu skrętnego po prawej.

Druk 4D to technologia, która może zrewolucjonizować działanie mechanizmów w przemyśle kosmicznym, energetycznym, a nawet w branży obronnej. Ponieważ czynnikiem generującym ruch jest sama struktura użytych materiałów, nie ma potrzeby stosowania oddzielnych silników i systemów kontroli, które zwiększają wagę, a tym samym zwiększają koszt mechanizmu.

Proste demonstratory wykonane dla ESA zostały zaprojektowane tak, by jako łatwo skalowalne i aktywowane na żądanie, mogły służyć jako podstawowe komponenty w większych mechanizmach. Takie systemy mogą być przydatne w wielu zastosowaniach. Zespoły jednorazowych czujników wykonanych w technologii 4D mogą być rozproszone na dużym obszarze, aby wykonywać pomiary w trudnych warunkach, gdzie użycie droższych materiałów nie miałoby większego sensu. Inne potencjalne zastosowania obejmują rozkładane anteny, które można łatwo rozkładać i składać. Korzystając z wielu drukowanych w 4D elementów konstrukcyjnych, takich jak demonstrator gięcia, możliwe jest wykonanie mechanizmów pozycjonujących, którymi można sterować z bardzo wysoką precyzją.

Wiele jest jeszcze do zrobienia, zanim systemy drukowane 4D wyjdą poza fazę eksperymentalną i polecą w kosmos, ale osiągnięcia inżynierów Zortrax są solidnym punktem wyjścia. Elektrycznie aktywowane mechanizmy drukowane w 4D można uruchamiać naciśnięciem jednego przycisku, wykorzystywać w środowiskach o temperaturze nieprzekraczającej 75 ℃. Co więcej, ciepło niezbędne do aktywacji może być precyzyjnie dostarczane do wybranych punktów mechanizmu. Zrobiono też pierwszy krok w kierunku osiągnięcia odwracalności całego procesu. Dalsze działania będą polegać na stopniowym dopracowywaniu tej technologii tak, aby była gotowa do wykorzystania w misjach kosmicznych oraz w wielu branżach na Ziemi.

Źródło: Zortrax

Zapraszamy 15 września 2023 na TEK.day Gdańsk, zapisz się już dziś!