É«É«À²

Väitöskirjan nimi: Älykkäiden 3D-tulostettujen komposiittien valmistus: liike, värinmuutos ja oman muotonsa tunnistaminen   

³Õä¾±³Ù³Ù±ð±ô¾±Âáä: S. Siddharth Kumar
³Õ²¹²õ³Ù²¹±¹Ã¤¾±³Ù³ÙäÂáä: Prof. Sepideh Ghodrat, TU Delft, Hollanti
Kustos: Prof. Mika Salmi, Aalto-yliopiston insinööritieteiden korkeakoulu 

Tyypillisesti 3D-tulostamalla valmistetaan kappaleita, joiden muoto ja ominaisuudet pyritään pitämään muuttumattomina. Sen sijaan 4D-tulostuksessa kappale voi muuttua tulostuksen jälkeen ajan, eli neljännen ulottuvuuden, funktiona. Valmistettu osa voidaan suunnitella taipumaan, liikkumaan tai jopa vaihtamaan väriään kappaleeseen johdetun lämmön tai sähkövirran vaikutuksesta. Väitöskirjassa tutkittavassa tulostusmenetelmässä jatkuvaa kuitua tai ohutta metallilankaa upotetaan pursotetun kestomuovirakenteen sisään (koekstruusio). Aiemmassa kirjallisuudessa, sekä teollisuuden sovellutuksissa, menetelmää on hyödynnetty lähinnä tulostettujen rakenteiden vahvistamisessa.
Lujan, muotoaan palautuvasti muuttavan ja oman tilansa tunnistavan 4D-tulosteen valmistaminen toistettavasti on tieteellis-teknillinen haaste, johon väitöskirjassa pureudutaan. Työssä tutkittiin voidaanko kuituja ja lankoja upottaa siten, että tulostetuille kappaleille mahdollistetaan uusia toiminnallisuuksia, kuten materiaalin muotomuisti, vastuslämmitys, termokromismi (värimuutos), palautuva taivutus tai oman tilan mittaus. Lisäksi työssä selvitettiin, miten upotetun kuitu- tai lankaelementin materiaali, suuntaus, sijainti ja tarttuminen ympäröivään kestomuoviin vaikuttavat näihin toimintoihin.

Tulokset osoittivat upotettujen kuitujen arkkitehtuurin määrittävän sen, miten kappaleet saadaan ohjelmoitua tiettyyn muotoon, säilyttämään väliaikaisen tilansa ja lopulta palautumaan alkuperäiseen muotoonsa kuumennettaessa. Hyvä tartunta upotettujen kuitujen ja polymeerimatriisin välillä, sekä polymeerin riittävä tunkeutuminen kuitukimppuun, todettiin välttämättömiksi kuormansiirtokyvyn ja muotomuistin toistettavuuden kannalta.

Metallilangan upottaminen rakenteeseen mahdollisti lisätoiminnallisuuksia. Kun vastuslankaan johdettiin sähkövirtaa, vastus-, eli Joule-lämmitys, sai ympäröivän termokromisen polymeerin vaihtamaan väriään. Alkuperäinen väri palautui, kun virta katkaistiin. Upotettujen muistimetallilankojen avulla, jotka muuttavat muotoaan kuumennettaessa, saatiin aikaan palautuva taivutus molempiin suuntiin. Lankojen sähkövastus muuttui rakenteen muodonmuutoksen mukana. Tämän perusteella kaarevuus voitiin arvioida ilman erillistä anturia.

Tulokset osoittavat, että koekstruusioon perustuvaa tulostusmenetelmää voidaan hyödyntää monille materiaaliyhdistelmille ja näin mahdollistaa rakenteen vahvistaminen, paikallinen lämmitys, palautuva taivutusliike, värimuutos sekä oman tilan mittaus. Tekijän tietojen mukaan tämä tutkimus osoittaa ensimmäistä kertaa, että yhdellä tulostusalustalla voidaan yhdistää muodon ohjelmointi, palautuva termokromismi, kaksisuuntainen taivutus ja kappaleiden sisäisen tilan mittaus.

Tällaista rakenteen monitoiminnallisuutta on mahdollista hyödyntää esimerkiksi uudenlaisissa, pienikokoisissa toimilaitteissa pehmeässä robotiikassa, muotoaan muuttavissa rakenteissa, muunneltavissa näytöissä ja älykkäissä valmistusjärjestelmissä. Lisätutkimuksia kuitenkin tarvitaan ennen laajamittaisempaa 4D-tulosteiden käyttöönottoa. Jatkotutkimuksissa huomiota tulisi kiinnittää erityisesti metallilangan ja polymeerin välisen tartunnan vahvistamiseen, valmistusprosessin hallintaan, lankojen reitittämiseen kolmessa ulottuvuudessa sekä pitkäaikaiskestävyyden- ja ympäristön vaikutusten arviointiin.

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 7 päivää ennen väitöstä): .

Yhteystiedot: ssiddharth.kumar@aalto.fi