Интелектуальные (smart) материалы для АТ

Интеллектуальные (или "умные") материалы — это будущее аддитивных технологий (АТ), где изделия не просто статичны, а способны реагировать на внешние воздействия. Такие материалы расширяют возможности 3D - печати, переходя к концепции 4D - печати. Рассмотрим их особенности и применение.

1. Что такое интеллектуальные материалы?

Интеллектуальные материалы — это вещества, которые изменяют свои свойства (форму, цвет, проводимость и т.д.) в ответ на стимулы: температуру, давление, свет, электричество, магнитное поле или химическую среду. Они "умны", потому что адаптируются к условиям без внешнего управления, что делает их идеальными для динамичных изделий.

Свойства, определяющие "умность":

Термореактивность: Изменение формы или жёсткости при нагреве/охлаждении.
Фотохромизм: Смена цвета под светом.
Электроактивность: Реакция на ток (сжатие, расширение).
Самовосстановление: Регенерация после повреждений.
Память формы: Возврат к исходной геометрии.

2. Примеры интеллектуальных материалов

"Умные" свойства встречаются среди полимеров, металлов и керамик:

Полимеры:

Гидрогели: Впитывают воду, увеличиваясь в объёме (реакция на влагу/ pH).
SMP (Эффект памяти формы в полимерах): Полиуретаны с памятью формы, активируются теплом (40–80 °C).
Электроактивные полимеры (EAP): PVDF (поливинилиденфторид) — пъезоэлектрик, сжимается под напряжением.
Самовосстанавливающиеся полимеры: Сети с обратимыми связями (на основе Diels - Alder reaction).

Металлы:

Сплавы с памятью формы (SMA): Nitinol (NiTi) — восстанавливает форму при нагреве (~50 °C).
Магнитные сплавы: Fe - Ni - Co — реагируют на магнитное поле.

Керамика:

Пьезоэлектрическая керамика: PZT (цирконат-титанат свинца), BaTiO3 — генерирует ток под давлением.
Термохромная керамика: VO2 (диоксид ванадия) — меняет проводимость при нагреве.

3. Требования

На входе (предварительная обработка):

Полимеры: Сушка (гидрогели — контроль влажности, SMP — 50 °C), точный состав смолы/нити (для SLA / FDM).
Металлы: Чистота сплава ( Nitinol — без примесей), размер порошка (20–50 мкм для LPBF).
Керамика: Однородность частиц (5–20 мкм для SLA), стабильность суспензии.
Общее: Совместимость с принтером, устойчивость к деградации при печати.

На выходе (постобработка):

Полимеры: УФ-отверждение (SLA), термообработка для активации памяти формы (SMP).
Металлы: Отжиг ( Nitinol — 500 °C для фиксации формы), полировка.
Керамика: Секание (PZT — 1000–1200 °C), удаление связующего, поляризация.
Общее: Тестирование реакции на стимулы (температура, ток и т.д.).

4. Методы 3 D - печати для интеллектуальных материалов

Эструзия материалов (MEX): SMP, гидрогели в виде нитей. Простота, но низкая точность (±0,2 мм).
Фотополимеризация в ванне (SLA/DLP): Гидрогели, SMP, EAP в смолах. Высокая точность (±0,05 мм), сложные структуры.
Material Jetting (MJ): Многослойные изделия из SMP и фотополимеров. Для комбинированных свойств.
Селективное лазерное плавление (LPBF): Nitinol, Fe-Ni-Co в порошке. Прочные детали, но сложный контроль.
Direct Ink Writing (DIW): Гидрогели, PZT в суспензиях. Для мягких или пористых изделий.
Binder Jetting (BJ): Керамика (PZT). Требует спекания.

5. 4D-печать:

4 D -печать — это современнная эволюция 3D - печати, где четвёртое измерение — время. Изделие, напечатанное из интеллектуального материала, меняет форму или свойства после печати под воздействием стимула. Например:

Гидрогель, напечатанный SLA методом, расширяется в воде, принимая заданную форму.
Nitinol (LPBF) сжимается при нагреве, возвращаясь к исходной геометрии. Процесс включает моделирование реакции материала заранее, что требует точного дизайна и тестов.

6. Сравнение и примеры

Пример: клапан (из полимера с памятью формы - SMP) или актуатор (Nitinol):

FDM (SMP): Простой клапан, память формы при 60 °C , прочность ~20 МПа.
SLA (гидрогель): Мягкий клапан, реагирует на влагу, точность высокая.
LPBF (Nitinol): Актуатор, прочность ~1000 МПа, активация при 50 °C.
DIW (PZT): Пьезоэлемент, ток при деформации, хрупкий без спекания.

Свойства зависят от метода и постобработки: SLA даёт детализацию, LPBF — прочность.

7. Где используется умные материалы

Медицина: Стенты (Nitinol), зажимы-фиксаторы, гидрогели для доставки лекарств.
Робототехника: Мягкие актуаторы (SMP, EAP), сенсоры (PZT).
Аэрокосмос: Адаптивные крылья (Nitinol).
Одежда: Терморегулирующие ткани (SMP), мягкие датчики для экзоскелетов.
Электроника: Датчики давления (PZT).

8. Пред- и пост- обработка (по требованию)

Предобработка:

Полимеры: Сушка, фильтрация смол.
Металлы: Анализ порошка, чистота.
Керамика: Стабильность суспензии.

Постобработка:

Полимеры: УФ-отверждение, активация стимулом.
Металлы: Термообработка, удаление опор.
Керамика: Секание, полировка. Без постобработки "умные" свойства могут не проявиться (например, SMP без термообработки не вернёт форму).