📅 Data publikacji: 07.05.2025
У лабораторії адитивних матеріалів Національного технічного університету «КПІ» команда під керівництвом д-ра Марини Коваленко здійснила перший прорив у 4D-друці — поєднанні традиційного 3D-друку та «пам’яті форми». Вони розробили унікальний композит SMP (Shape Memory Polymer), що містить полімерну матрицю з диспергованими мікрокапсулами активаторів. Після друку при кімнатній температурі об'єкт зберігав нейтральну, плоску форму, але під впливом тепла (50–60 °C) полімер активувався, мікрокапсули руйнувалися і вивільняли реагент, запускаючи пружинне відновлення заданої форми.
Першим експериментом став квадратний диск розміром 100 × 100 мм з вирізами в пресетних ділянках. Коли дослідники помістили його в нагріту камеру, диск почав згинатися по діагоналях, утворюючи пірамідальну форму. Кожну секунду надруковане тіло змінювало кут нахилу на 1°, доки не досягло 45° через 6 хвилин. Після охолодження воно зберігало цю форму, а наступне нагрівання у 70 °C повернуло диск у початковий стан. Процес повторювався понад 200 разів без значної втрати точності (<0,5 мм), що підтвердило стабільність SMP-композиту. 👏
Ключовими факторами успіху виявилися: склад полімерної матриці, концентрація капсул та товщина шару друку (0,2 мм). У ході оптимізації інженери змінювали швидкість екструзії та темп охолодження, щоб забезпечити однорідне розподілення мікрокапсул і уникнути внутрішніх напружень. Застосувавши мікрокамерний термограф, вони зафіксували теплові поля під час трансформації та скоригували температуру нагріву до 55 °C для більш рівномірної активації. 🔧
Науковий світ з трепетом спостерігав за результатами: можливість отримувати об’єкти, що самостійно змінюють форму в часі, відкривала шлях до адаптивних пристроїв у медицині, будівництві та робототехніці. Д-р Коваленко прокоментувала: «Ми надрукували не просто форму, а алгоритм перетворення — інженерний код, що активується теплом.» 🚀
У другій фазі команда розширила можливості 4D-друку, застосувавши багатофазні SMP-композити з різними температурами активації (50 °C, 70 °C, 90 °C). Вони створили складну структуру «розгортального вузла» — елемент, який послідовно змінює форму у три етапи. Спочатку під 50 °C він відкривав один бік, потім під 70 °C — другу секцію, а при 90 °C — фіксував остаточний об’ємний контур. Це дозволило надрукувати пристрій, який при кімнатній температурі був компактним, але став адаптивною аркою з пролоном 150 мм, здатною працювати як тимчасове укриття або захисний кожух.
Для автоматизації процесу інженери інтегрували систему точного нагріву та охолодження під керуванням Arduino та Raspberry Pi. Модуль термоконтролю з ТЕНами та термопарами дозволяв задавати графік температурних циклів із точністю ±0,2 °C. Дротові датчики DS18B20 убудовувалися в сам об’єкт, надсилаючи показники в реальному часі на хмарний сервер, де Node-RED візуалізував криву активації. Користувач міг змінити алгоритм трансформації через веб-інтерфейс, наприклад, збільшити швидкість першого етапу або знизити поріг активації другого. 💻
Співпраця з нейрохірургами в медичному центрі Охматдит відкрила шлях до імплантів із SMP. Хірурги випробували імплант-сітку для регенерації тканин, яка під час операції вводилася в складеному стані, а потім активувалася теплим фізіологічним розчином до заданої форми, точно підлаштовуючись під контур органу. Це знизило травматичність хірургії та час відновлення пацієнтів на 30%. 🏥
Крім медицини, вирішальне значення мала адаптивна архітектура. MPArch Lab використала 4D-друк для створення фасаду будівлі, що реагує на сонячне випромінювання та змінює свою конфігурацію для оптимального затінення та вентиляції. Вдень елементи розгорталися, створюючи тінь, а вночі — згорталися, відкриваючи панорамний вид і підвищуючи об’ємне теплообмін. Це знизило витрати на кондиціювання на 20%. 🏢
Підсумовуючи другий розділ, д-р Коваленко оголосила про плани оптимізувати SMP-композити із включенням вуглецевих нанотрубок для прискореної теплопровідності та активнішої реакції на температурні зміни. 🔬
У третій фазі проект «TempMorph» вийшов за межі лабораторії та інтегрувався з Інтернетом речей (IoT), створивши екосистему інтелектуальних адаптивних об’єктів. Кожен SMP-виріб був оснащений енергонезалежною NFC-міткою та мініатюрним мікроконтролером ESP32, здатним вимірювати температуру та передавати дані в хмару. Додаток для смартфона дозволяв у реальному часі контролювати етапи трансформації, оновлювати алгоритми та збирати телеметрію про середовище експлуатації. Так виникла концепція «4D-as-a-Service» — користувачі підключалися до платформи, обирали шаблон трансформації і отримували готовий адаптивний елемент у вигляді сервісу.
Першою комерційною реалізацією стала лінія промислових клапанів для систем опалення. Клапани друкувалися з SMP-композиту, який під час пікового навантаження — при 75 °C — автоматично розширював прохід для підвищення потоку теплоносія, а при зниженні температури — звужувався для економії енергії. Завдяки вбудованим сенсорам та підключенню до SCADA-системи клапани регулювалися автономно, покращуючи ефективність теплового контуру на 18% та знижуючи втрати тепла.
У транспорті команда попрацювала з виробником мотоциклетних шоломів. Шоломи з 4D-штампованого SMP вбудовували активовані температурою вставки, які при потраплянні холодного повітря огортали обличчя захисним накладенням, знижуючи ризик переохолодження. У спекотні дні шолом зменшував ступінь вентиляції, підтримуючи комфортну температуру під шоломом. Тестування за участю байкерів показало підвищений комфорт на 25% порівняно зі стандартними моделями.
Найбільш футуристичним застосуванням стала демонстрація мініатюрних дронів із 4D-крилами. Крила друкувалися в складеному стані, полегшуючи транспортування, а перед польотом — розгорталися під впливом сонячного тепла до оптимальної форми для аеродинаміки. Дрони могли виконувати автономні рейси для картографування та доставки, знизивши складність логістики та енергоспоживання.
Для забезпечення довготривалої стійкості була розроблена система переробки SMP. Використані деталі збиралися, очищувалися ультрафіолетом, потім механічно дробилися до гранул. Гранули змішувалися з новою SMP-матрицею у співвідношенні 30/70 і екструдалися у новий філамент для друку. Це дозволяло замкнути матеріальний цикл, зменшивши утворення відходів і вуглецевий слід.
На завершення д-р Коваленко презентувала платформу TempMorph Cloud — місце, де користувачі ділилися профілями трансформацій, шаблонами G-code та сценаріями використання. Це створило спільноту 4D-ентузіастів та форсайт-груп, яка шукала нові випадки застосування у медицині, архітектурі та космічній інженерії. «Наші об’єкти тепер живуть, дихають і взаємодіють із середовищем, — підсумувала Марина. — Ми започаткували нову еру, де матеріали самостійно адаптують свою форму заради комфорту, безпеки та ефективності». 🌐