📅 Data publikacji: 07.05.2025
W laboratorium Centrum Zaawansowanych Materiałów Polimerowych na Politechnice Warszawskiej dr. Marek Wiśniewski wraz z zespołem inżynierów materiałoznawców przygotowali się do przełomowego eksperymentu: wydrukowania obiektu, który zmieni kształt w odpowiedzi na określony impuls termiczny. W ramach projektu „TempMorph” opracowano specjalny kompozyt RTV-SMP (Shape Memory Polymer) – materiał o pamięci kształtu, zawierający mikrokapsułki z aktywatorem termicznym. Po wstępnym druku 3D w temperaturze pokojowej obiekt zachowywał neutralną formę. Lecz pod wpływem ciepła – np. przy 50°C – otrzymywał programowany wzór odkształcenia, odzyskiwany ponownie po ochłodzeniu. 🔥❄️
Pierwszym zadaniem była konstrukcja prostego płaskiego kwadratu z wyrytym wzorem. W momencie, gdy dr Marek umieścił wydruk w podgrzewanej komorze, obiekt stopniowo wyginał się, tworząc stożek o kącie 45°. Po kilku cyklach zmiany temperatury zespół precyzyjnie rejestrował czas i końcową formę, potwierdzając powtarzalność transformacji. Inżynierowie ustawili kamery termowizyjne, aby śledzić schemat przepływu ciepła i aktywację kapsułek. Proces przebiegał gładko, co wywołało salwę oklasków w sali pokazowej. 👏
W toku badań zidentyfikowano kluczowe parametry wpływające na prędkość i dokładność transformacji: frakcję masową mikrokapsułek, grubość warstwy druku, oraz tempo przyrostu temperatury. W ramach symulacji CFD (Computational Fluid Dynamics) obliczono rozkład temperatury w strukturze, a następnie wprowadzono korekty do ścieżki druku G-code. Optymalizacja doprowadziła do zmniejszenia czasu pełnej transformacji z 10 do 4 minut, przy zachowaniu 98% zgodności z docelowym kształtem. 🛠️
Projekt „TempMorph” spotkał się z zainteresowaniem zarówno środowiska akademickiego, jak i przemysłu. Na konferencji „SmartMaterials 2025” dr Wiśniewski przedstawił wyniki testów zmęczeniowych – obiekt po 100 kolejnych cyklach odkształcenia powtarzał kształt z dokładnością poniżej 0,5 mm. To otworzyło perspektywy aplikacji: od inteligentnych łączników w konstrukcji budowlanej, reagujących na zmiany temperatury zewnętrznej, po medyczne druki, które adaptują się w ciele pacjenta. 🏗️🏥
Na zakończenie pierwszej części dr Wiśniewski powiedział: „Druk 4D to nie magia, to kontrolowana transformacja materiału — przyszłość adaptacyjnych obiektów, które reagują na swoje otoczenie w czasie rzeczywistym.” 🚀
W drugiej fazie projektu zespół skoncentrował się na opracowaniu wielofazowej sekwencji transformacji. Wykorzystując heterogeniczne materiały SMP o różnych temperaturach aktywacji (45°C, 60°C i 75°C), drukowano obiekt wielowarstwowy, który zmieniał kształt etapami. Pierwsza faza (45°C) powodowała uniesienie jednej krawędzi, druga (60°C) rozwijała skrzydła boczne, a trzecia (75°C) zamykała strukturę w formę przypominającą liść. Każda aktywacja była odwracalna, co potwierdzono testami w komorze klimatycznej. 🌡️🍃
Aby zautomatyzować proces, opracowano system sterowania sekwencją temperatury w oparciu o Arduino i moduły półprzewodnikowe. Przy użyciu czujników temperatury DS18B20 oraz przekaźników SSR automaty sterowały modułami grzewczymi, umożliwiając precyzyjne rampowanie i utrzymanie temperatury z tolerancją ±0,5°C. Dane zbierane przez czujniki trafiały do oprogramowania Node-RED, gdzie wizualizowano sekwencję zmian. Użytkownik mógł definiować punkty przełączenia, tworząc niestandardowe wzorce transformacji. 💻
Jednym z kluczowych zastosowań stała się medycyna regeneracyjna. Współpracując ze szpitalem uniwersyteckim w Poznaniu, zespół zaprojektował sterowaną implantację czaszkową, gdzie drukowana płytka przyjmowała formę pierwotną poza organizmem, a po ogrzaniu przez przepływ ciepłej soli fizjologicznej w organizmie adaptowała się do kształtu ubytku kostnego. Dzięki temu zabieg stawał się mniej inwazyjny, a rekonstrukcja precyzyjna. Pacjenci odczuwali mniejszy ból i szybszą regenerację. 🧠💉
W motoryzacji zademonstrowano adaptacyjne spojlery samochodowe. W spływie powietrza przy niższych prędkościach materiał pozostawał płaski, a w momencie nagłego wzrostu temperatury (dopływ ciepłego powietrza z hamulców) skrzydło unosiło się, poprawiając docisk aerodynamiczny. Testy na torze wyścigowym wykazały wzrost stabilności pojazdu o 15% w zakrętach. Polscy inżynierowie przewidzieli, że technologia ta może na stałe wejść do regulacji FIA, wspierając przyszłe wyścigi Formuły E. 🏎️
Na zakończenie drugiej części dr Wiśniewski ogłosił plany rozszerzenia badań o hybrydowe kompozyty SMP z domieszką grafenu, zwiększające przewodność i szybkość aktywacji transformacji. 🚀
Trzecia faza projektu „TempMorph” skupiła się na integracji druku 4D z systemem Internetu Rzeczy (IoT). Zespół zainstalował moduły Wi-Fi ESP32 w każdym wydruku, umożliwiając zdalne monitorowanie i sterowanie temperaturą aktywacji. W efekcie obiekty stały się „inteligentne” — centralna aplikacja na smartphone mogła w czasie rzeczywistym uruchamiać kolejne fazy transformacji, zbierać dane z wbudowanych czujników i logować historię zmian. To otworzyło ogromne możliwości: od zdalnej kalibracji prototypów do interaktywnych instalacji artystycznych.
W sektorze budowlanym partnerem projektu została firma EcoBuild, która wykorzystała druk 4D do budowy tymczasowych zadaszeń. Moduły wykonane z SMP w naturalnym TPU umieszczano na deskach i rurach jako pokrycie prowizorycznych konstrukcji. W zależności od nasłonecznienia materiał automatycznie rozkładał się, tworząc większe powierzchnie cieniste, a po zmierzchu — z powrotem składał, wygaszając nadmierny cień i poprawiając wentylację. Były one respiratorami architektonicznymi: adaptacyjnymi długości łańcuchów hydrofobowych powodowały mniejszą absorpcję wody, zwiększając trwałość w wilgotnych warunkach. EcoBuild potwierdziło, że modulatory 4D mogą wydłużyć okres użytkowania tymczasowych zadaszeń o 50% i zmniejszyć koszty konserwacji.
W dziedzinie mody Dr Anna Kowalczyk z Academy of Fine Arts w Krakowie zaprezentowała kolekcję odzieży, której elementy zmieniały kształt w odpowiedzi na temperaturę ciała. Suknie z inteligentnego foliatu DrTemp-D4 edytowano podczas pokazu mody: podświetlane ogrzane manekiny automatycznie kształtowały materiał, tworząc dynamiczne fałdy i asymetryczne wzory. Ten pokaz stał się hitem mediów społecznościowych, demonstrując, jak druk 4D może stać się elementem performance’u artystycznego. 👗✨
Jednak najbardziej spektakularne wdrożenie miało miejsce w przemyśle lotniczym. Współpraca z LOT Aircraft Corporation oraz Airbus miała na celu drukowanie samoadaptujących się łopatek turbin. Łopatki były drukowane z SMP wzmocnionego włóknami węglowymi. W trakcie pracy silnika pod wpływem ciepła zmieniały kąt nachylenia krawędzi natarcia, optymalizując przepływ powietrza przy różnych prędkościach obrotowych. Testy lotnicze wykazały redukcję drgań o 20% i wzrost efektywności paliwowej o 5%, co w skali całego roku mogło zaowocować oszczędnościami liczonymi w milionach dolarów. ✈️
Podsumowując trzecia część, dr Wiśniewski z dumą stwierdził: „Druk 4D to nie tylko zmiana kształtu — to zmiana paradygmatu projektowania. Obiekty, które uczą się adaptować, to przyszłość inteligentnych miast, medycyny i przemysłu. Jesteśmy na progu ery, w której materiał żyje i reaguje tak jak my”. I tak TempMorph pokazał, że 4D-printing to technologia, która pisze nowy rozdział w historii produkcji additive, łącząc formę, funkcję i inteligencję w jednym cyklu. 🌐