Американские инженеры научились печатать на 3D-принтере сетчатые структуры, которые по своему строению и свойствам похожи на ткань. Они получаются при неравномерном выходе материала из экструдера принтера. Метод позволяет создавать «ткань», структурированную на разных масштабах, предназначенную для разных применений, рассказывают авторы статьи, представленной на конференции UIST 2020.

Ткань — это удобный для многих применений материал, который, с одной стороны, имеет немалую относительную прочность, а с другой, его можно растягивать, сгибать или мять без повреждения. Инженеры не только улучшают свойства тканей и методы плетения, но и пытаются создавать материалы с близкими свойствами, но иным составом и структурой. Некоторые из них предлагают создавать массив из случайно ориентированных волокон, другие создают гибриды с тканной основой и напечатанными на ней вставками, третьи напрямую повторяют плетеную структуру ткани, используя только 3D-печать.

Инженеры из Массачусетского технологического института под руководством Хироси Исии (Hiroshi Ishii) разработали более простой метод. Он основан на классическом и самом популярном виде 3D-печати — FDM или моделировании послойным наплавлением. При этом методе печатающая головка принтера расплавляет пластиковую нить и выдавливает расплав через сопло, нанося его на подложку или предыдущий слой. Одна из особенностей метод заключается в том, что качество нанесения и удержания материала зависит от его вязкости и объема экструзии. При некоторых комбинациях параметров нанесение становится неравномерным. В том числе при низком объеме экструзии может образовываться череда бугорков, соединенных нитью, которая не касается предыдущего (нижнего) слоя.

Авторы решили использовать такой режим нанесения для создания сетчатой структуры, отчасти напоминающей ткань. В качестве материала инженеры использовали разные вещества, в основном PLA-пластик. Они условно сравнивают линию, проходящую через бугорки, основой, а линию, формируемую тонкими нитями, утком по аналогии с такими же структурными элементами в ткацком переплетении. В зависимости от того, с какой очередностью наносятся слои, структура получается разной. Если направление каждого следующего слоя такое же, как и у предыдущего, то основа в каждом следующем слое смещается в сторону. А если направление слоев чередуется, то структура получается ровной.

Зависимость структуры ткани от направления слоев
Зависимость структуры ткани от направления слоев

Отличие нового типа материала от ткани заключается в том, что его можно создавать не только плоским, но и объемным. К примеру, можно напечатать оригами-структуру, напоминающую гармошку. Инженеры напечатали множество разных прототипов, в том числе складной абажур для лампы, карман для телефона или кошелька, прикрепленный к футболке при помощи утюга, гипюровые узоры и другие.