Προσθετική κατασκευή για αποτελεσματικές έξυπνες δομές: Η ιδέα της 6D εκτύπωσης

Στέλιος Κ. Γεωργαντζίνος, Επίκουρος Καθηγητής Τμήματος Αεροδιαστημικής Επιστήμης και Τεχνολογίας, Εθνικού & Καποδιστριακού Παν/μίου Αθηνών

Η προσθετική κατασκευή ή τρισδιάστατη εκτύπωση, που ανακαλύφθηκε τη δεκαετία του 1980 ως μέθοδος ταχείας πρωτοτυποποίησης, θεωρείται πλέον ως νέο είδος παραγωγικής διαδικασίας, πρακτικά με τον ίδιο τρόπο όπως και οι συμβατικές κατασκευαστικές διαδικασίες. Η προσθετική κατασκευή έχει δημιουργήσει αντίκτυπο σε όλους τους βιομηχανικούς τομείς, όπως η αεροδιαστημική, η αυτοκινητοβιομηχανία, η δομική βιομηχανία και η ιατρική. Προσφέρει ευελιξία στη διαδικασία σχεδιασμού των προϊόντων, σημαντική μείωση της κατανάλωσης υλικών, καθώς και καθιστά προσιτή την εξατομίκευση των προϊόντων.

Όσον αφορά την πρόοδο των τεχνολογιών και των εφαρμογών που αφορούν την τρισδιάστατη εκτύπωση, μία από τις εξαιρετικές εξελίξεις που έχουν αναφερθεί μέχρι σήμερα, από ερευνητές του MIT (ΗΠΑ, 2012), είναι η 4D εκτύπωση, κατά την οποία η τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης συνδυάζεται με έξυπνα υλικά για την παραγωγή δομών που αλλάζουν σχήμα με την πάροδο του χρόνου. Πιο συγκεκριμένα, στην 4D εκτύπωση, το τρισδιάστατο αντικείμενο που αναπτύσσεται μπορεί να αυτομεταμορφώνεται ή να ανταποκρίνεται σε εξωτερικά ερεθίσματα με την πάροδο του χρόνο. Με άλλα λόγια, ο χρόνος θα μπορούσε να θεωρηθεί ως η 4η διάσταση της εκτύπωσης. Εδώ, ο χρόνος δεν χρησιμοποιείται για να περιγράψει για πόσο χρονικό διάστημα εκτυπώνεται το αντικείμενο, αλλά εκφράζει το γεγονός ότι μπορεί να συνεχίσει να εξελίσσεται μετά την εκτύπωση ή ακόμη και την ικανότητα αυτοαναγέννησης. Η 4D εκτύπωση αναμένεται να διαδραματίσει καθοριστικό ρόλο στους μελλοντικούς σχεδιασμούς λόγω των προφανών πλεονεκτημάτων της. Για παράδειγμα, η 4D εκτύπωση μπορεί να επιτρέψει στους επιστήμονες να αναπτύξουν, μικρο/νανο-ενεργοποιητές ή/και έξυπνες συσκευές, χωρίς πρόσθετο εξοπλισμό, δηλαδή καλώδια, κινητήρες και μπαταρίες. Εφαρμογές της 4D εκτύπωσης έχουν ήδη αναφερθεί σε διάφορους τομείς. Χαρακτηριστικά, η 4D εκτύπωση έχει ήδη εφαρμοστεί με επιτυχία για την κατασκευή διαφόρων προϊόντων, συμπεριλαμβανομένων δομών με πολυκατευθυντικές ιδιότητες, μαλακών ενεργοποιητών και άλλων.

Εάν ένα τρισδιάστατα εκτυπωμένο αντικείμενο, πέρα από τη μετατροπή του σε ένα νέο σχήμα (4D εκτύπωση), μπορεί να αλλάξει περαιτέρω τη λειτουργία του, αυτή η μετατροπή θα μπορούσε να ονομαστεί επίσης ως 5D εκτύπωση. Ωστόσο, ένας ολοκληρωμένος ορισμός της 4D εκτύπωσης είναι πιο κατάλληλος για να συμπεριλάβει την εξέλιξη της τρισδιάστατα εκτυπωμένης δομής όσον αφορά τις αλλαγές στο σχήμα, την ιδιότητα, καθώς και τη λειτουργικότητα. Από την άλλη πλευρά, η “5D εκτύπωση” αναφέρεται πιο συχνά ως ονομασία για την ΑΜ πέντε αξόνων. Ο όρος “5D” χρησιμοποιείται για να περιγράψει τη μέθοδο εκτύπωσης πέντε αξόνων, που προτάθηκε για πρώτη φορά από τα Mitsubishi Electric Research Laboratories, η οποία επιτυγχάνεται με τη χρήση μιας κλίνης εκτύπωσης που κουνιέται μπρος-πίσω σε δύο άξονες, δημιουργώντας τον τέταρτο και τον πέμπτο άξονα επεξεργασίας. Το ανταγωνιστικό πλεονέκτημα της 5D εκτύπωσης σε σύγκριση με την τρισδιάστατη εκτύπωση είναι ότι μπορεί να παράγει ισχυρότερα αντικείμενα χρησιμοποιώντας λιγότερο υλικό.

Ο Επίκουρος Καθηγητής του Τμήματος Αεροδιαστημικής Επιστήμης και Τεχνολογίας του ΕΚΠΑ, κ. Στέλιος Γεωργαντζίνος, μαζί με συνεργάτες και μέλη της επιστημονικής του ομάδας, πραγματοποίησε μια προσπάθεια για πρώτη φορά στην ανοικτή βιβλιογραφία να παρουσιαστεί η έννοια της 6D εκτύπωσης, ακολουθούμενη από το απαραίτητο θεωρητικό υπόβαθρο, τους πιθανούς τομείς εφαρμογής και τα πιθανά οφέλη που προκύπτουν. Η ιδέα είναι απλή, καινοφανής, αξίζει να ερευνηθεί περαιτέρω και μπορεί εύκολα να περιγραφεί ως εξής: Μια 6D εκτυπωμένη δομή  θα μπορούσε να θεωρηθεί ως ένα παιδί που γεννήθηκε από το γάμο μεταξύ ενός εκτυπωτή πέντε αξόνων της τεχνολογίας FDM και τη χρήση υλικών με ευφυή συμπεριφορά. Έχει το ανταγωνιστικό πλεονέκτημα ότι μπορεί να είναι ισχυρότερη από μια αντίστοιχη εκτυπωμένη 4D δομή, μπορεί να κατασκευαστεί χρησιμοποιώντας λιγότερο υλικό, μπορεί να αλλάξει σχήμα λόγω ενός εξωτερικού ερεθίσματος μέσω ενός μηχανισμού αλληλεπίδρασης, ενώ η δομική ποιότητα και η ευφυΐα της μπορεί να βελτιωθεί σημαντικά με την εισαγωγή υπολογιστικών μεθόδων βελτιστοποίησης και προσομοιώσεων.  

Η προτεινόμενη νέα τεχνολογία κατασκευής συνδυάζει την έννοια της 5D εκτύπωσης, η οποία περιλαμβάνει την κίνηση της κεφαλής εκτύπωσης μαζί με την περιστροφή της κλίνης εκτύπωσης σε καθορισμένες γωνίες, με την 4D εκτύπωση, η οποία οδηγεί σε έξυπνη μεταβολή των χαρακτηριστικών ενός υλικού σε σχέση με το χρόνο) σε μια νέα έννοια που ονομάζεται 6D εκτύπωση. Η αναπτυχθείσα διαδικασία προσθετικής κατασκευής θα οδηγήσει στη δημιουργία μιας νέας γενιάς προηγμένων ευφυών υλικών που θα μπορούν επίσης να περιέχουν νανοσωματίδια στη δομή τους. Είναι προφανές, ότι μια τέτοια εξέλιξη στον τομέα της τεχνολογίας πολυδιάστατης εκτύπωσης θα ενισχύσει δραστικά το συνολικό κοινωνικό αντίκτυπο της προσθετικής κατασκευής. Η νέα αυτή μέθοδος αναμένεται να δώσει λύσεις που θα αυξήσουν την αποδοτικότητα και θα μειώσουν το κόστος των υλικών και τον χρόνο εκτέλεσης των διαδικασιών προσθετικής κατασκευής, οδηγώντας έτσι σε ελαφρύτερα και ισχυρότερα εξαρτήματα, με μεγαλύτερη ευαισθησία στα σχετικά ερεθίσματα.

Η έννοια της 6D εκτύπωσης, λόγω των πλεονεκτημάτων της, αναμένεται να υιοθετηθεί γρήγορα από τη βιομηχανία που ασχολείται με την κατασκευή των σχετικών υλικών και του εξοπλισμού εκτύπωσης και από άλλους τελικούς χρήστες που χρησιμοποιούν την προσθετική κατασκευή. Η χρήση της 6D εκτύπωσης μπορεί να εισαχθεί στον ίδιο τεχνολογικό και κατασκευαστικό τομέα εφαρμογής της προσθετικής κατασκευής. Ωστόσο, λόγω της αναμενόμενης υψηλότερης ακρίβειας επεξεργασίας, των νέων δομικών και λειτουργικών δυνατοτήτων της προτεινόμενης μεθόδου, η εφαρμογή της θα είναι πιο αποτελεσματική σε τομείς όπου η ακρίβεια είναι ζωτικής σημασίας, όπως στην αεροδιαστημική βιομηχανία, στις ιατρικές συσκευές και τα ηλεκτρονικά, στα λειτουργικά εξαρτήματα για ενεργειακές εφαρμογές κ.λπ. Πιο αναλυτικά, στο μέλλον, η τεχνολογία 6D εκτύπωσης  θα μπορούσε να δημιουργήσει ανατρεπτική καινοτομία σε διάφορους τομείς, όπως:

Ιατρικός τομέας: Όσον αφορά την παραγωγή ιατρικών εξαρτημάτων για την προσθετική, την ορθοπεδική ή τα οδοντιατρικά εμφυτεύματα με καλύτερες ιδιότητες και μειωμένο κόστος. Τα οστά δεν είναι επίπεδα αλλά έχουν καμπύλη επιφάνεια, επομένως η περιστροφή της κλίνης προκειμένου να ακολουθηθεί η καμπύλη είναι ζωτικής σημασίας και, επιπλέον, τα εκτυπωμένα έξυπνα υλικά θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για έξυπνα ιατρικά εμφυτεύματα για πολύπλοκες ιατρικές περιπτώσεις.

Κατασκευές: Η προτεινόμενη τεχνική θα μπορούσε εύκολα να προσαρμοστεί ώστε να είναι κατάλληλη για την δημιουργία κατασκευών με βάση το σκυρόδεμα, όπως κτίρια και άλλες υποδομές, όπου οι πρόσθετοι βαθμοί ελευθερίας εκτύπωσης θα προσέφεραν ένα σαφές πλεονέκτημα. Χρησιμοποιείται για συστήματα και προϊόντα αυτοεπιδιόρθωσης και αυτοπροσαρμογής, για παράδειγμα, σωληνώσεις που θα μπορούσαν να αλλάζουν δυναμικά τη διάμετρο και τις ιδιότητές τους σε απόκριση της πίεσης του νερού με τη χρήση έξυπνων υλικών και να ακολουθούν τις καμπύλες του σωλήνα με τη χρήση εκτύπωσης πέντε αξόνων.

Αεροδιαστημική: Στοχεύει στην παραγωγή καμπύλων υλικών που μπορούν να αναδιαμορφώνονται ανάλογα με τη θερμοκρασία.

Βιομηχανία μεταποίησης: Για την κατασκευή προηγμένων προϊόντων κατά παραγγελία με μειωμένη χρήση πρώτων υλών και κατανάλωση ενέργειας σε σύγκριση με προηγούμενες τεχνικές εκτύπωσης (συμβάλλοντας έτσι στην περιβαλλοντική βιωσιμότητα και στη μείωση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων).

Η νέα αυτή προτεινόμενη μεθοδολογία απαιτεί περαιτέρω επικύρωση μέσω εκτεταμένων αριθμητικών και πειραματικών ερευνών και για το λόγο αυτό έχουν επίσης προταθεί ορισμένες ρεαλιστικές και απλές εφαρμογές αναφοράς. Η στέρεη καθιέρωση της μεθόδου απαιτεί μόνο τη διερεύνηση των πρόσφατων τεχνολογικών επιτευγμάτων στο τομέα των ευφυών υλικών, κάποια προηγούμενη εμπειρία στην τρισδιάστατη εκτύπωση, μια μηχανή εκτύπωσης πέντε αξόνων και κοινές πρώτες ύλες. Στο εγγύς μέλλον πρόκειται να ανακοινωθεί σχετική έρευνα για τη βελτιστοποίηση της προτεινόμενης τεχνικής κατασκευής από την ερευνητική ομάδα του Επίκουρου Καθηγητή Στέλιου Κ. Γεωργαντζίνου στο νεοσύστατο Εργαστήριο Προηγμένων Υλικών, Δομών και Ψηφιοποίησης, του Τμήματος Αεροδιαστημικής Επιστήμης και Τεχνολογίας, Εθνικού & Καποδιστριακού Παν/μίου Αθηνών.

Georgantzinos, S. K., Giannopoulos, G. I., & Bakalis, P. A. (2021). Additive Manufacturing for Effective Smart Structures: The Idea of 6D Printing. Journal of Composites Science, 5(5), 119.