Ďalší rozmer aditívnej výroby elementov (4D tlač) ako nástroj výstavby budúcnosti

Asi by ste hľadali dlho, kým by ste narazili na niekoho, kto ešte o aditívnej výrobe (tiež označovaná ako 3D tlač) nepočul. Táto technológia, resp. téma ako taká, je veľmi populárna a dnes si 3D tlačiareň dokážete zabezpečiť pod 1000€, čím sa stáva dostupnou širšiemu spektru užívateľov. Dokonca si môžete takúto tlačiareň poskladať doma z komponentov sami, softvér je k dispozícii na voľné stiahnutie. Ak by ste hľadali niekoho, kto Vám vysvetlí rozdiel medzi aditívnou výrobou a 3D tlačou, už to bude trocha ťažšie. A čo takto 4D tlač? Aké má uplatnenie vo výstavbe?

Viete si predstaviť, že by sme na výstavbu nepotrebovali stroje, ale len tlačiareň? Nehovorím teraz o koncepte, pri ktorom niektorí výrobcovia deklarujú, že Vám vytlačia stavbu priamo na mieste, kde má stáť. Ak to naozaj raz dokážu, bude to technologický pokrok, ale nebude v tom v podstate nič revolučné.

Keď som sa tento rok stretol na konferencii v USA so Skylar Tibbits, šéfom SELF-ASSEMBLY LAB, ostal som jeho prednáškou šokovaný. A nebol som sám. Koncept a vízia, akou sa vydali je obdivuhodná a v skutku revolučná. Využiť poznatky z biochémie, fyziky, nanotechnológií za účelom vývoja „self-assembly“ elementov je unikátna a nadčasová. Inšpiráciou autorov je komplexnosť a efektívnosť proteínov, DNA organizmov a prírodných systémov. Myslím, že k slovu „self-assembly“ ešte na Slovensku nie je spisovný ekvivalent, v zásade sa tento koncept zameriava na to, aby sa po aditívnej výrobe elementy dokázali samé poskladať bez ľudskej pomoci, pomoci strojov, alebo komplexných elektro-mechanických zariadení resp. zložitej energie. Neoddeliteľná časť tohto projektu je preto výskum a vývoj 4D tlače, ktorá tento proces podporuje.

„Proces self-assembly reprezentuje spontánne samozostavenie elementu, pri ktorom neusporiadané časti vybudujú usporiadanú štruktúru prostredníctvom miestnych interakcií (priamych alebo nepriamych).“

Obrázok 1 Transformácia plošného objektu na priestorový, SELF-ASSEMBLY LAB

4D tlač je nový proces tlače prispôsobiteľných inteligentných materiálov, ktoré môžu zmeniť vlastnosti a charakteristiky na základe zmien teploty, svetelných podmienok alebo vlhkosti v okolitom prostredí. Začlenením polymérnych vlákien do kompozitných materiálov, dosiahneme stav, kedy môžeme ovplyvniť budúci tvar vyrobených 3D objektov. Ďalší rozmer pri tlači reprezentuje dynamiku, resp. podobne ako pri BIM - faktor času. Multi-materiálové výtlačky s pridanou schopnosťou pre tvarové transformácie z jedného stavu do druhého bez nutnosti ďalšieho zásahu (využívajú Stratasys Connex - tento druh tlačiarní dokáže vytlačiť naraz viac materiálov). Táto technika ponúka efektívnejšiu cestu od nápadu k plnej funkčnosti (vrátane ovládania, snímania a materiálovej logiky) vstavanú priamo do materiálov. V rámci jednej multi-materiálnej tlače môžete transformovať výrobok či mechanizmus z 1D vlákna do 3D tvaru, 2D plochu do 3D tvaru alebo zabezpečiť premenu z jedného 3D tvaru do iného. Treba dodať, že sa nejedná o trvalú zmenu tvaru, ale prvok sa vie vrátiť do pôvodného plošného tvaru, nakoľko majú schopnosť tvarovej pamäte.

[endif]--Ako už bolo spomínané, na túto zmenu vám postačuje jednoduchý činiteľ ako voda, teplo, svetlo, ktoré sú považované za jednoduchú formu vstupnej energie. Dôležité je, že tieto zmeny sa dajú využiť na samozostavenie výsledného elementu. Táto technológia je veľmi prispôsobivá a je využiteľná pre štruktúry a systémy všetkých veľkostí.

Zmena tvaru je riadená prostredníctvom dizajnu materiálovej štruktúry alebo nehomogenity – rôznorodosti na nanoúrovni. Nehomogenity sú široko používané v strojárstve za účelom zvýšenia výkonnosti materiálu. Zahrnutie nehomogenity sa zvyčajne vykonáva náhodne, pretože je veľmi ťažké kontrolovať miesta, kde môžu byť umiestnené. Avšak, s precíznosťou 3D tlače môžu byť dosiahnuté požadované vlastnosti, čo nám dáva možnosť kontrolovať vlastnosti materiálu a ovplyvniť tak jeho chovanie pod vplyvom zmeny prostredia.

Kombinácia štruktúr a rôznych vlastností materiálov zabezpečí budúcu zmenu. Využíva sa rozdiel v rozpínavosti a pevnosti. Na jednej strane potrebujete stabilnú pevnú látku, ktorá vytvorí plochy a látku, ktorá vie pod vplyvom činiteľov meniť objem. Rozširujúci sa materiál je umiestnený strategicky medzi hlavnú štruktúru pevných látok na výrobu spojov, ktoré sa pri aktivácii (napr. teplotou) biaxiálne roztiahnu a po schladení (uvoľnení mechanického zaťaženia) sa zložia do programovaného tvaru. Aktiváciou môžeme dosiahnuť efekt, ako je skladanie, natiahnutie, alebo krútenie. Vplyvom orientácie a umiestnenia jednotlivých vlákien v kompozitných materiáloch sa otvárajú obrovské možnosti pre vývoj rôznych produktov, vrátane stavebníctva.

Obrázok hore - Tlač vlákien na plošný prvok, vpravo - Zmena prostredia - ponorenie do vody

Obrázok dole - Programované transformácie prvku, SELF-ASSEMBLY LAB

Na samozostavenie sa využívajú princípy založené na tvare, chemických väzbách a uvoľňovanej energii. Obyčajne sa využíva pevné, alebo tekuté prostredie. Pri pevnom prostredí sa častice môžu samozostaviť na povrchu pevných látok po aplikovaní vonkajšej sily (napr. magnetickej, elektrickej, prúdenia alebo vibrácií). V tekutom prostredí sa využívajú olejovo-vodové emulzie, ktoré obsahujú rozsiahlu zásobu medzi povrchových plôch, ktoré môžu byť použité na kontrolu a transformáciu prvkov, ktoré do seba narazia. Nabité funkčné skupiny na povrchu koloidných častíc vytvárajú dvojitú elektrickú vrstvu, ktorá stabilizuje najviac koloidné suspenzie proti agregácii. Rovnaký typ elektrostatickej interakcie môže spôsobiť rozhranie, ktoré spôsobí, že častice sa budú odpudzovať. Náboj na rozhraní môže vzniknúť v dôsledku rozdielu v dielektrickej konštante alebo z viazaných iónov.

Obrázok 6 Proces samozostavenia stoličky v tekutine, SELF-ASSEMBLY LAB

Dlhodobým cieľom tohto výskumu je vytvorenie procesu výstavby, ktorý úplne vylúči nutnosť manuálnej práce ľudí, alebo pomoci strojov. Takáto výstavba nevyžaduje spaľovanie fosílnych palív ani dodatočnú energiu a napriek tomu by mala byť funkčná nepretržite. Uplatnenie si určite nájde pri odstraňovaní následkov živelných pohrôm, alebo pri výstavbe vo vesmíre. Príkladom, ktorý viac objasňuje tento koncept je projekt samozostaviteľnej stoličky, ktorá sa poskladá v tekutom prostredí za pomoci prúdenia tekutiny a malých magnetov umiestnených na jednotlivých častiach komponentov. Tieto magnety sú navrhnuté tak, aby boli schopné rozoznať, ktorá väzba je tá správna. V prípade, že sa spoja dva protipóly s nevhodnou väzbou, táto sa následne uvoľní vplyvom náhodilého nárazu.

Pri vývoji konceptu samozostavenia zložitých funkčných systémov sa tiež využívajú poznatky z oblasti tvorby monodisperzných stavebných prvkov na úrovni molekúl alebo atómov s využitím ich základných binárnych interakcií. Kontrolované interakcie následne zabezpečujú zostavenie viacerých objektov, treba však pochopiť a vhodne predpokladať, ktoré stavebné bloky, interakcie a procesné kroky sú nevyhnutné pre získanie požadovanej priestorovej štruktúry.

Obrázok 7 Proces samozostavenia makroprvkov náhodilým vzletom, SELF-ASSEMBLY LAB

Množstvo odborníkov sa dnes zaoberá zlepšovaním a inovovaním systémov v stavebníctve. Žiaľ, keď to rozmeníme na drobné, zistíme, že v podstate robíme stále to isté, ako pred 1000 rokmi. Len „trocha“ rozumnejšie a efektívnejšie. Koncept, akým je samozostavenie elementov, konštrukcií, či dokonca funkčných celkov je konečne niečo nové (aj keď sa tým zaoberajú vedci už viac ako 50 rokov). Inšpiráciu v prírode a jej zákonoch hľadali aj Calatrava, alebo Gaudí. Dnes však vieme navyše prepojiť poznatky na úrovni nanotechnológiie s potenciálom výpočtovej techniky a bude zaujímavé sledovať, kedy „vyrastie“ prvý dom.

![endif]--