Kada je 3D štampanje prvi put predstavljeno 1985. godine, označilo je veliku prekretnicu za proizvodnu industriju. Pored toga što je jeftiniji od tradicionalnih proizvodnih tehnologija, obećao je i mogućnost prilagođavanja dizajna i pravljenja prototipova na zahtev. Iako se njegova tehnologija još uvek smatra relativno novom, u protekloj deceniji je postojala sve veća potražnja za metodama 3D štampanja u svim sektorima, od vazduhoplovstva i odbrane do medicine.
Ipak, vanredni profesor Pablo Valdivija i Alvarado sa Singapurskog univerziteta za tehnologiju i dizajn (SUTD) veruje da još uvek postoje putevi pre nego što 3D štampanje ostvari svoj puni potencijal. U tradicionalnom 3D štampanju, mlaznica se koristi za štampanje materijala sloj po sloj, a putanja kojom mlaznica prolazi je poznata kao putanja alata.
Međutim, štampanje sloj po sloj nije kompatibilno za upotrebu sa materijalima kao što su silikon, epoksidi i uretani koji se sporo očvršćavaju i kojima je potrebno više vremena da se stvrdnu. Ove vrste materijala se često koriste za stvaranje mekih mehaničkih metamaterijala koji se, zauzvrat, koriste za lagane strukture inspirisane prirodom, kao što su rešetke i veb strukture. Procesi zasnovani na taloženju u 3D štampanju, kao što je direktno pisanje mastilom, mogli bi da rade sa ovim materijalima da bi stvorili takve strukture, ali one pate od neoptimizovanih putanja alata.
„Ovi problemi dovode do produženog vremena štampanja i dodatno su pogoršani dinamičkim ponašanjem materijala u neočvrslom stanju“, objasnio je vanredni profesor Valdivija i Alvarado. Stoga ostaje izazov za 3D štampanje kompleksnih bioinspirisanih struktura.
Da bi se uhvatili u koštac sa ovim izazovom, vanredni profesor Valdivija i Alvarado i njegov tim u SUTD-u predložili su pristup arhitektonskom dizajnu, koji su objavili u radu „Arhitektovani dizajn i izrada mekih mehaničkih metamaterijala“ objavljenom u časopisu Napredni inteligentni sistemi.
Izgleda posebno kako se direktno pisanje mastila može koristiti za izradu laganih struktura, tim je prvo dizajnirao metod da optimizira alatke. Složivanjem 3D dizajna objekta u bodove i jednostavne oblike, tim bi tada mogao da koristi i segmentirani i kontinuirani alati za poboljšanje ukupnog alata. Kroz to je tim uspeo da generiše alate koji su sadržavali manje nepotrebnih pokretanja i zaustavljanja.
Da bi testirao pristup, tim je odštampao nekoliko vrsta bioinspiranih struktura koristeći ovu metodu za generisanje optimizovanih alatnih traka. Tim je prvi put pokušao da prilagodi svojstva štamparskih materijala kako bi dodatno poboljšao njihovu podobnost za direktno pisanje mastila. Odabirom tri komercijalno dostupnih silikonskih materijala, a zatim dodavanje modifikatora poznatog kao TIKEKS, tim je kreirao i okarakterisao devet različitih materijalnih kombinacija koje su bile pogodnije za direktno pisanje mastila.
Istraživači su zatim nastavili sa 3D-print CILIA, Veb-mrežom, strukturama sličnim listovima i rešetki koristeći svoj predloženi pristup i testirali funkcionalnosti struktura u različitim podešavanjima. Za 3D štampanu Ciliju, tim je utvrdio da je dodavanje na usisne čaše poboljšale silu odsisnih čaša; U međuvremenu, rešetka od 3D štampane pokazalo se da je efikasna struktura koja apsorbuje energiju, što pokazuje smanjenje maksimalnih uticajnih vršni sila do 85 posto.
Sa ovim nalazima tima je optimističan u pogledu budućeg razvoja 3D metoda štampanja na osnovu štampanja za štampanje bioinspiranih struktura.
Vanredni profesor Valdivija i Alvarado je rekao: „Iako je pristup još uvek u fazi istraživanja, njegov potencijal za prilagođene dizajne visokih performansi čini ga veoma relevantnim za industrije fokusirane na robotiku, nosive tehnologije i napredne metamaterijale.
Objasnio je i da bi se dodajni procesi na osnovu taloženja mogli pronaći niš u naprednim aplikacijama, dopunjujući tradicionalne metode koje bi ostale neophodne za proizvodnju visokih i standardizovanih struktura.
Za sada je tim fokusiran na poboljšanje efikasnosti njihovog postupka skaliranja, smanjenje svojih troškova i proširivanje svestranosti materijala na industrijske postavke. Da bi to učinio, tim planira da istražuje višeterijalno štampanje koje bi omogućilo štampanje različitih materijala, zauzvrat stvaranje onoga što je tim skovao kao „Inženjerirani metamaterijali“. Pored toga, tim će takođe istražiti kako tehnike učenja mašina mogu omogućiti 3D korisnicima štampanja da odrede metrike performansi za dizajne metamaterijala za koji žele da generišu.
„Ovi napredak će dalje otključati potencijal 3D štampanih metamaterijala za širok spektar aplikacija, uključujući meke robotike i nošenje zaštitne opreme“, zamišljeni su prof Valdivia i Alvarado.
