samovolných procesů transformace polymerních folií a jejich kompozitů
Diplomová práce
Studijní program: N8208 – Design
Studijní obor: 8206T123 – Design prostředí Autor práce: BcA. Andrea Havránková Vedoucí práce: Ing. Richard Charvát, Ph.D.
Liberec 2017
Study programme: N8208 – Design
Study branch: 8206T123 – Environmental Design
Author: BcA. Andrea Havránková
Supervisor: Ing. Richard Charvát, Ph.D.
originálem zadání.
Byla jsem seznámena s tím, že na mou diplomovou práci se plně vzta- huje zákon č. 121/2000 Sb., o právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.
Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé diplomové práce pro vnitřní potřebu TUL.
Užiji-li diplomovou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědoma povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tom- to případě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vynaložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.
Diplomovou práci jsem vypracovala samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím mé diplomové práce a konzultantem.
Současně čestně prohlašuji, že tištěná verze práce se shoduje s elek- tronickou verzí, vloženou do IS STAG.
Datum:
Podpis:
1
P ODĚKOVÁNÍ
Děkuji Ing. Richardu Charvátovi, Ph.D. za příkladné vedení této práce, nadšení a čas, který mi věnoval při konzultacích, a doc. Ing. Karlu Daďourkovi, CSc., který přispíval k řešení projektů nejen při psaní diplomové práce, ale po celou dobu studia, a v neposlední řadě Prof. RNDr. Oldřichu Jirsákovi, CSc., oponentovi této práce za cenné podněty během konzultací.
Děkuji firmám Granitol a.s., Pemax print s.r.o. a Aledeto s.r.o. za vstřícnost, ochotu, poskytnuté informace a zkušební materiál.
A BSTRAKT
Diplomová práce se zabývá programovatelnými materiály. Zkoumá polymerní folie z hlediska jejich potenciálu stát se nositeli informace, určitého programu. Cílem práce je experimentálně vyzkoušet fyzické reakce materiálů na záření, zaznamenat je, analyzovat jejich chování a posunout možnosti jejich užití.
A BSTRACT
The thesis deals with programmable materials. Examines the polymer films in terms of their potential to become bearers of information of certain program.
The aim is to experimentally test the physical reaction of materials to IR radiation, record them, analyze their behavior and push the limits of their use.
3
K LÍČOVÁ SLOVA
"Shrinky-Dinks", polymerní folie, fyzické programování, samovolně složitelné struktury, programovatelné textilie, Dana Zelig, Christophe Guberan, Hadass Jessel, Ido Bachelet, Michael D. Dickey, Erik Demaine, David Costanza, předprogramované tvary, termoaktivní materiály, IČ záření
K EY WORDS
"Shrinky-Dinks", polymer foils, physical programming, self-asambly, self-
transforming structures, programmable fabric, Dana Zelig, Christophe Guberan, Hadass Jessel, Ido Bachelet, Michael D. Dickey, Erik Demaine, David Costanza, pre-
programmed shapes, temperature active materials, IR radiation
N OMENKLATURA
Programovatelné materiály jsou takové, u kterých je možné vyvolat samovolnou transformaci.
Samovolná (bezkontaktní) transformace je přechod z 2D do 3D pomocí aktivátoru.
Fyzické programování je užíváno ve smyslu řízené tvarové změny.
Aktivní materiály samovolně reagují změnou tvaru na aktivační činidlo.
Termoaktivní materiály reagují změnou tvaru (typicky smrštěním) na teplo.
LAP z angl. light activated polymers (světlem aktivované polymery).
SMP z angl. shape memory polymers (polymery s tvarovou pamětí).
Shrinky-Dinks jsou polystyrenové folie.
Shrink sleeves jsou teplem smrštitelné návlekové folie.
Sráživá vlákna reagují na zahřátí smrštěním.
Izotropie označuje nezávislost materiálu na směru.
Anizotropie označuje závislost materiálu na směru.
Úhly vzepětí jsou úhly, jichž dosáhneme po expozici polymeru aktivačnímu činidlu.
Skelný přechod je transformací, které na ose teploty odpovídá určitý teplotní interval.
Chladniho obrazce jsou obrazce, které vznikají na vibrující desce v důsledku rezonance.
5
S EZNAM OBRAZOVÝCH PŘÍLOH A TABULEK
TABULKA 1:ÚHLY SLOŽENÍ JAKO FUNKCE ŠÍŘKY LINIE VZORU NA SHRINKY-DINK FOLII (A=25 MM, B=10 MM). ... 17
TABULKA 2:ÚHLY SLOŽENÍ PRO DVOJITOU LINII JAKO FUNKCE MEZERY NA SHRINKY-DINK (25 MM X 10 MM)... 17
TABULKA 4:TEPLOTY TÁNÍ, ZPRACOVÁNÍ A FORMY PRO VYBRANÉ TERMOPLASTY ... 22
OBRÁZEK 1:SAMOVOLNĚ SLOŽENÝ JEŘÁB INSPIROVANÁ ORIGAMI.(1) ... 12
OBRÁZEK 2:OBRÁZEK 2:(A-D)SCHÉMA SLOŽENÍ KOMPOZITU.(1) ... 12
OBRÁZEK 3:SAMOVOLNĚ SLOŽENÁ PYRAMIDA.(1) ... 13
OBRÁZEK 4:TEORETICKÝ MODEL. ... 13
OBRÁZEK 5:SVĚTLEM-VYVOLANÉ OHÝBÁNÍ KOMPOZITU.(2) ... 14
OBRÁZEK 6:ZAHŘÁTÍ PS POMOCÍ MIKROVLN (3) ... 15
OBRÁZEK 7:TERMO-FOTOGRAFIE POMOCÍ INFRAČERVENÉ KAMERY NA ZAČÁTKU SKLÁDÁNÍ SHRINKY-DINK. ... 18
OBRÁZEK 8:SHRINKY-DINK FOLIE VE TVARU SOUSTŘEDNÉ KRUŽNICE A VÝSLEDNÝ PROSTOROVÝ TVAR. ... 18
OBRÁZEK 9:KŘIVKY ZÁVISLOSTI SMRŠTĚNÍ POLYMERŮ NA TEPLOTĚ.(9) ... 25
OBRÁZEK 10:SCHÉMA PRŮBĚHU FLEXOTISKU ... 27
OBRÁZEK 11:PROJEKT HYDRO-FOLD ... 28
OBRÁZEK 12:EXPERIMENT "TRACES" ... 29
OBRÁZEK 13:SAMOSLOŽITELNÝ ROBOT ... 31
OBRÁZEK 14:DANA ZELIG,WAWED ... 32
OBRÁZEK 15:3D TVARY VZNIKLÉ ZAHŘÁTÍM KOMPOZIT SRÁŽIVÝCH VLÁKEN A NESRÁŽIVÝCH NETKANÝCH TEXTILIÍ ... 34
OBRÁZEK 16:VODÍCÍ LINIE JE UMÍSTĚNA VE SMĚRU VLÁKEN. ... 35
OBRÁZEK 17:VODÍCÍ LINIE KOLMO KE SMĚRU VLÁKEN. OBRÁZEK 18:BEZ VODÍCÍ LINIE. ... 35
OBRÁZEK 19:REAKCE KOMPOZIT ZE SHRINK-SLEEVES FOLIÍ.VODÍCÍ LINIE JE UMÍSTĚNA KOLMO NA SMĚR VLÁKEN. ... 36
OBRÁZEK 20:ŘÍZENÉ SKLÁDÁNÍ KOMPOZITNÍHO MATERIÁLU SLOŽENÉHO Z 2 FOLIÍ ... 37
OBRÁZEK 21:NA OBRÁZKU 1-3 VIDÍME PRŮBĚH PROCESU SKLÁDÁNÍ VČASE T1=8S, T2=12S A T3=16S ... 37
OBRÁZEK 22:VODÍCÍ LINIE NAKRESLENA LIHOVÝM POPISOVAČEM ... 38
OBRÁZEK 23:VODÍCÍ LINIE NAKRESLENA VODĚODOLNÝM INKOUSTEM ... 39
OBRÁZEK 24:REAKCE KOMPOZITU NA EXPOZICI ZÁŘENÍ ... 39
OBRÁZEK 25:POTIŠTĚNÉ A VZOROVANÉ (VLEVO DOLE) SHRINK-SLEEVE FOLIE PO VYSTAVENÍ IČ ZÁŘENÍ. ... 40
OBRÁZEK 26:PROCES SKLÁDÁNÍ POTIŠTĚNÉ FOLIE V ČASE T1=0S;T2=5S;T3=10S;T3=25S ... 41
OBRÁZEK 27:PROCES SKLÁDÁNÍ POTIŠTĚNÉ FOLIE V ČASE T1=5S; T2=15S;T3=25,T4=30S ... 41
OBRÁZEK 28:PROCES SKLÁDÁNÍ KOMPOZITU FOLIE S DVOJITÝM VZOROVÁNÍM ... 42
7
O BSAH
Seznam obrazových příloh a tabulek ... 5
1 Teoretická část ... 10
1.1 Literární rešerše ... 10
1.1.1 Zhodnocení trendů ... 18
1.1.2 Vytvoření cílů ... 19
1.2 Analýza ... 20
1.2.1 Programování v přírodě ... 20
1.2.2 Aktivní polymery ... 21
1.2.3 Reference zahraničních projektů ... 27
2 Experimentální část ... 33
2.1 Materiály a metody ... 33
2.1.1 Charakteristika vybraných metod ... 34
2.1.2 Zhodnocení ... 42
2.1.3 Možnosti dalšího výzkumu ... 43
3 Návrh inovativních využití v současnosti ... 45
Závěr ... 46
Seznam zdrojů ... 48
Ú VOD
Princip lenosti lidstvo posouvá kupředu. Stejně jako byl pro naše prapradědy malý zázrak pozorovat neviditelný pohon parníku, je jím pro mě pozorovat levitaci, Chladniho obrazce, luminiscenční jevy, refrakci světla, stínohru nebo samovolně transformovatelné materiály, a právě těmi se budu ve své práci zabývat. Uvedené jevy mají společné dvě věci. Za prvé, jsou vyvolané nekontaktně pomocí aktivátoru (ať už jde o magnetické pole, rezonanci, odlišné optické prostředí, sluneční paprsky nebo záření) a za druhé, všechny se objevily v tématech mých semestrálních prací.
„Všichni znají užitečnost potřebných věcí; to co jim uniká, je užitečnost zbytečnosti.“
Čuang-c' Ráda bych přiblížila podstatu jevu, a to jak z hlediska fyzikálního fungování, tak i z hlediska výtvarného přesahu nekontaktního tvarování. Ať už jev pozorujeme přímo v přírodě nebo na syntetických materiálech, nepochybně nás zaujme.
Ani v syntetickém prostředí polymerů není jen prostředkem k efektivnější výrobě či logistice, ale může být vnímán též z pohledu fenoménu času, či nekontaktní geneze morfologie.
Cílem práce je zmapovat programovatelné materiály v širších souvislostech a otevřít jejich problematiku v českém prostředí, kde na toto téma zatím nenalezneme ani vědecké, ani umělecké práce. Hlavním prostředkem zkoumání práce je experiment.
Vyzkouším řízené programování na různých vzorech a s různými materiály a v závěrečné instalaci předvedu potenciál tohoto fyzikálního jevu v nových souvislostech, které rozšíří jeho vnímání.
Teoretická část obsahuje literární rešerši a analýzu se čtyřmi hlavními kapitolami, které přispívají k hlubšímu pochopení tématu a zároveň slouží jako inspirace pro část experimentální. Literární rešerše je zaměřena na vědecké práce a patenty v oboru. Jejich studium a zhodnocení pomůže definovat cíl práce. Následuje analýza, která studuje programování v přírodě, materiály, metody a přehled zahraničních projektů využívajících fyzické programování.
9
Literární rešerše se zaměřuje na vědecké práce a patenty. Účelem této kapitoly je osvojit si fyzikální možnosti a principy samovolného skládání a zároveň získat znalosti o materiálech a postupech, které se k němu užívají. Analýza popisuje principy programování v přírodě, která používá rozmanité mechanické a fyzikální mechanismy k řízení událostí, jako je scvrkávání slupky na povrchu ovoce, rychlé pohyby v rostlinách, růst kůže různých tvorů během metamorfozního cyklu nebo mechanismus skládání u šišek borovice. Můžeme z ní nasát inspiraci ke komplexní transformaci tvaru a funkce napříč různými obory. Další část práce mapuje materiály a metody, jež bezkontaktně reagují na aktivační činidla. Na závěr je teorie doplněna přehledem nejzajímavějších zahraničních projektů využívajících fyzické programování.
Experimentální část má za úkol prakticky vyzkoušet chování jednotlivých materiálů.
Vzhledem k poznatkům v teoretické části výzkum zaměřuji na reakce polymerních folií z PVC, PTEG a PS citlivých na záření. Nanesu na ně různé vzory, které způsobí lokální ohřev a samovolné řízené skládání. Následně zkusím lokálního ohřevu dosáhnout novou technikou pomocí předsunuté masky, která bude filtrovat záření. Dále zkombinuji folie lepením s dalšími materiály, vytvořím kompozity a budu sledovat jejich chování.
Vzhledem k lokálnímu nanesení termoaktivních folií dojde k řízenému tvarování V závěrečné úvaze věnované výsledkům a zhodnocení, shrnu, k čemu jsem při pozorování dospěla a v možnostech dalšího výzkumu navrhnu, kam by mohli směřovat další badatelé, kteří se tématem budou zabývat. Na závěr této části naznačím vlastní nápady na praktická využití, ke kterým by výzkum programovatelných materiálů mohl směřovat.
Celá práce vrcholí videoinstalací využívající poznatky z teoretické i experimentální části, demonstruje hluboké poznání problematiky a reflektuje osobní pohled na potenciál programovatelných materiálů.
1 T EORETICKÁ ČÁST
Popis kapitoly
Teoretická část obsahuje literární rešerši a analýzu se čtyřmi hlavními kapitolami, které přispívají k hlubšímu pochopení tématu a zároveň slouží jako inspirace pro část experimentální. Literární rešerše je zaměřena na vědecké práce a patenty v oboru.
Účelem této kapitoly je osvojit si fyzikální možnosti a principy samovolného skládání a zároveň získat znalosti o materiálech a postupech, které se k němu užívají.
Analýza navazuje programováním v přírodě, materiály, metodami a přehledem zahraničních projektů využívajících fyzické programování.
Najdete zde odpovědi na otázky:
• Proč se v poslední době zvedl zájem o SMP a LAP?
• Jaká je fyzikální podstata programovatelných materiálů?
• Jaké techniky a materiály se užívají k lokální absorpci energie?
• Jaké jsou výhody programovatelných materiálů oproti 3D tisku?
1.1 L
ITERÁRNÍ REŠERŠEV nedávné době vznikla řada pokusů a projektů založených na principu nekontaktního tvarování aktivovaného pomocí vysoušení, záření, ohřevu, mikrovlnami a některé z nich byly patentovány. V listopadu 2015 byl publikován americký patent US 9186853 B2 s názvem „Methods and systems for processing materials, including shape memory materials“ neboli „Metody a systémy pro zpracování materiálů, zahrnující SMP, dále např. patent s číslem US 20060186700 A1 z roku 2006 na téma „Panels having active material based fold lines“ neboli Panely, opatřené panty z aktivních materiálů.
Navzdory faktu, že LAP a SMP už jsou známé řadu let, z patentů vzniklých v posledních několika letech můžeme vyvodit, že právě dnes nastává nejvhodnější doba k jejich využití. Proč je tomu tak? Jedním z faktorů je rozvoj laserových řezaček, plotrů, 3D tiskáren, které mohou aktivní polymery nanášet a vytvářet tak polymerové kompozity snadněji než dříve. Dalším důvodem je rostoucí poptávka po vývoji výrobních metod, které jsou levné, modulární a je k nim zapotřebí minimální kapitál či inženýrské studie. Mluvíme o nich jako o „tištěné výrobě“ hlavně díky schopnosti rychlé
11
transformace digitálních plánů do fyzických objektů. Toto spojení se může stát revolucí ve výrobě díky podpoře open-source hardwaru, výroby koncového uživatele a rychlého prototypování. (1)
Vzhledem k aktuálnosti tématu budu v této části čerpat především z odborných internetových sborníků Scopus1 a Web of knowledge2, konkrétně z časopisů Soft Matter, Materials today, Advanced materials, Materials Horizons, RSC Advances, ACS Applied Materials & Interfaces a Journal of the Mechanics and Physics of Solids.
Podstata jevu samovolně skládaných struktur z fyzikálního hlediska tkví v lokální absorpci energie smrštitelného materiálu. Otázkou je, jak lokální absorpci energie jednoduše zařídit. K vlastnímu skládání můžeme využít různé metody aktivované teplem, světlem, mikrovlnným zářením, magnetickým polem, elektrickým polem, otoky, rozpouštědly či dehydratací. Nyní tyto metody rozebereme na základě jednotlivých studií.
Zprvu bych ráda představila článek z časopisu Soft Matter, jehož autoři se zabývají samovolným skládáním polystyrenových folií využívajícím lokální absorpce rozostřeného světla. Autoři zde demonstrují nový, jednoduchý přístup ke spontánnímu skládání tenkých polymerových folií. Studie pracuje s foliemi Shrinky-Dink, které řadíme mezi LAP. Mezi způsoby zpracování LAP patří povrchové vzorování, foto-indukční chování s tvarovou pamětí a foto-origami viz obrázek 1 níže. Shrinky-Dink folie se významně smrští v rovině díky rovnoměrnému ohřevu při 120 °C. Vzor z černého inkoustu způsobuje lokální absorpci světla, která zahřívá polymer pod sebou na teplotu nad jeho skelný přechod. Při této teplotě se předdefinované části s vytištěným vzorem uvolní a srazí, a tím způsobí složení do 3D formy. Samovolného složení je tak dosaženo jednoduchým způsobem, pomocí vnějšího aktivátoru, kterým je rozostřené světlo.
Samovolně složený jeřáb inspirovaný origami na obrázku 1 je zpočátku vytištěn na 2D kompozit papíru, předepnutého polystyrenu a odporového měděného okruhu
1 Přístupný z www.scopus.com
2 Přístupný z www.webofknowledge.com
vyleptaného do polyamidu. Joulův ohřev vedl k samovolnému složení ve třech minutách.
Obrázek 1: Samovolně složený jeřáb inspirovaná origami. (1)
Vrstvy (A-D) na obrázku 2 představují schéma kompozitního vzorku použitého v experimentech. Vzorky jsou sestaveny ze tří samostatných vrstev a spojené silikonovou páskou. (A) SMP vrstva má zářezy podél spodního okraje na měděné destičky. (B) Každá vrstva je vázána na další silikonovým páskem. (C) Rýha v mědi je 0,5 mm široká a skládá se z hadovitého vzor, který má za úkol maximalizovat odvod tepla. Rýha je vytvořená do listu polyimidu. (D) Substrát z papíru podél středového závěsu. (E-F) Aktivace SMP kontraktorů, způsobuje ohyb kompozitu v závěsu.
Obrázek 2: Obrázek 2: (A-D) Schéma složení kompozitu. (1)
13
Na obrázku 3 níže vidíme:
• (A-B) Pyramidu složenou současnou aktivací čtyř závěsů pomocí dvou zesilovačů dodaných do řady odporových obvodů.
• (C-F) Zajišťovací slot a složení. Tento přehyb je možný pouze s postupným skládáním.
• (G-H) Jeřáb, vytvořený kombinací sériového a současného ohýbání.
Obrázek 3: Samovolně složená pyramida. (1)
Další zajímavou technikou je vrstvení. Vložením naprogramovaného pole ohybu vytvoříme vrstvenou strukturu pro světelné deformace. Struktura je vyrobena lepením nataženého elastomerového (NOA65) listu mezi 2 vrstvy LAP. Uvolnění elastomeru způsobuje kontrakci, čímž vzniká tlakové napětí v LAP, které je opticky uvolněné ke spuštění požadované deformace. Teoretický model vidíme na obrázku 4 a následuje kvantitativní zkouška (viz. obrázek 5) vrstveného kompozitního systému, který umožňuje zkoumání navrženého prostoru a optimálního designu laminátu. (2)
Obrázek 4: Teoretický model.
Na obrázku 5 vidíme kompozitní strukturu, která vznikla následujícími kroky:
a) středová vrstva byla nejprve v jedné ose vytažená tahovými svorkami b) viditelné ozáření spojilo přilnavou LAP a středovou vrstvu
c) středová vrstva byla uvolněna
d) konce středové vrstvy byly odstřiženy a tím vznikl rovný vrstvený kompozit
Obrázek 5: Kompozitní struktura (2)
Na obrázku 6 vidíme světlem-vyvolané ohýbání kompozitu. Kompozit na videu je 9,73 mm dlouhý, obsahuje NOA65 jako středovou vrstvou a byl osvícen po dobu 15 min.
Obrázek 5: Světlem-vyvolané ohýbání kompozitu. (2)
Další metoda samovolného skládání využívá mikrovlny a grafenový inkoust, na foliích s předepnutého PS. Zatímco polystyrenové folie jsou pro mikrovlny průchozí, vzory vytištěné vodivým inkoustem s obsahem grafenu mikrovlny absorbují a způsobují zahřívání potištěných částí.
Když teplota v potištěné oblasti překročí teplotu skelného přechodu (PS ~103 °C), napětí v potištěné oblasti folie se postupně uvolňuje po celé tloušťce folie a způsobí, složení PS listu. Výsledný úhel vzepětí je úměrný šířce linie vzoru z grafenového inkoustu.
15
Geometrie a azimutální orientace vzorku uvnitř mikrovlnného reaktoru ovlivňuje kvalitu skládání vzhledem k nerovnoměrnosti mikrovlnné energie v reaktoru. (3)
Obrázek 6: Zahřátí PS pomocí mikrovln (3)
Následující princip samovolného skládání je založený na reakci enzymů s hydrogely. Externí aktivační činidla jako například pH nebo teplota mohou u hydrogelů vyvolat deformaci nebo rychlé smrštění. Samovolně smrštitelné gely připomínají přírodní struktury, jako je Dionaea muscipula neboli Mucholapka podivná, která zachycuje kořist ohybem svých listů. Standardní hydrogely účelům programovatelných materiálů neodpovídají, proto byla k tomuto využití navržena nová třída gelů, které mění tvar v odezvě na velmi nízké koncentrace konkrétních biomolekul.
Gely jsou hybridy tří různých složek:
• polyethylenglykol-diakrylát (PEGDA)
• želatina-methakrylát-ko-polyethylen-dimethakrylát (gelma-co-PEGDMA)
• N-isopropylakrylamid (NIPA)
Po přidání enzymu do vody, se štěpí želatinové řetězce, čímž se snižuje tuhost vrstev A, B. V důsledku toho otok vrstvy C umožní přehyb přes vrstvu A, B, což způsobuje transformaci listu do určitého tvaru. Typický je přechod z rovného listu do uzavřené duté trubky. Časové měřítko pro tento přechod se snižuje se zvyšující se koncentrací enzymu.
Přechody tvaru jsou vyvolány již při velmi nízkých hladinách enzymů. Tvar přechodu je také indukován přidáním lyzátu myších fibroblastů, který obsahuje enzymy z matrix metaloproteinázy (MMP jsou podobné kolagenázu ve své schopnosti štěpit želatinu).
Tato metoda má zatím svá omezení. Některé kompozity fungují jen proto, že současně spoléhají na několik globálních stimulů, jako jsou například SMP a absorpce světla, což vylučuje jakoukoli strukturu, která má být složená postupně. Jiné vyžadují lasery ke spuštění skládání, zvyšují výrobní náklady a omezují tak proces
vlastního skládání. Některé metody dosáhly lokalizovaného a sekvenčního samovolného skládání, ale to se provádí pomocí jednotlivých akčních členů v každém závěsu a komponentu sestavy, což je nákladné a časově náročné. (4)
V závěru se podívejme na princip založený na Joulově ohřevu, který využívá kompozity SMP vázané na papír, aktivované pomocí odporových obvodů. Metoda je lokální, sekvenční, levná a funkční a může být použita k vytvoření široké škály trojrozměrných struktur. Dobře se hodí jak pro průmyslovou výrobu, tak pro kusovou, protože se opírá o rychlé a levné výrobní techniky.
V první aplikaci je použit plochý list polyolefinu (PO), který se zmenšuje podle jedné osy, a list polystyrenu (PS), který se zmenšuje biaxiálně. Materiály se smrští o 50%
při zahřátí nad teplotou jejich skelného přechodu Tg = 95°C. Je-li tato kontraktilní vrstva vázána na pasivní substrát, jako je papír, tvoří biomorfní pohon; kontrakce SMP vrstvy způsobí ohyb kompozit. Ohyb může být lokalizován na závěsu oslabením substrátu podél linie, což vede k záhybu.
Laserové řezání umožní levné sestavení kompozitu. Každá vrstva je vyřezána odděleně a v závěru jsou všechny spojeny dohromady. Odporové obvody na každém závěsu jsou k dispozici na samostatné vrstvě polyimidu k vyvolání lokalizované SMP kontrakce pomocí Jouleova ohřevu. Tato vrstva je flexibilní a má minimální dopad na mechaniku kompozitu. Záhyby mohou být aktivovány současně nebo sekvenčně. (1)
Po té, co jsme si ukázaly různé metody, jak dosáhnout samovolně skládatelných struktur, nastal čas podívat se na jejich řízení. Důležitým faktorem řízené transformace jsou úhly vzepětí. Potřebuji znát vztahy, které říkají, jak materiál osvítit zářením, aby se složil správným způsobem.
Úhly složení jsou funkcí šířky linie vzoru umístěného na folii. Vliv tloušťky linie na úhel vzepětí vidíme v tabulce T1. Z výsledků měření vyplývá, že čím tenčí linii vytvoříme, tím většího úhlu složení dosáhneme. V tabulce T2 potom vidíme závislost velikosti úhlů vzepětí na mezeře mezi dvěma liniemi. Z tabulky vyplývá, že pokud místo jedné linie použijeme 2 linie, bude úhel vzepětí o ½ menší při rozestupu 1 mm a se zmenšujícím se rozestupem se úhel bude zvětšovat. Vidíme tedy, že na úhel složení má vliv jak tloušťka linie, tak četnost linií a jejich rozestupy.
17
Šířka linie (mm) Úhel složení (°)
2.0 ≈60
1.7 ≈75
1.5 ≈75
1.2 ≈90
1.0 ≈90
0.7 ≈90
0.5 ≈90
Tabulka 1: Úhly složení jako funkce šířky linie vzoru na Shrinky-Dink folii (a= 25 mm, b= 10 mm).
Mezera mezi liniemi (mm) Úhel složení (°)
1 ≈45
0.5 ≈60
0.3 ≈60
Tabulka 2: Úhly složení pro dvojitou linii jako funkce mezery na Shrinky-Dink (25 mm x 10 mm).
Na obrázku 7 vidíme termo-fotografii pomocí infračervené kamery na začátku skládání Shrinky-Dink (a = 25 mm, b = 10 mm), (vlevo). Odpovídající teplotní profil v černém obdélníku (vpravo). Je zřejmé, že folie se právě začíná skládat. V tomto experimentu se začalo s teploto podložky ≈80 °C před ozářením. Teplota je vynesena jako funkce vzdálenosti podél osy kolmé k pantu. Teplota je největší ve středu linky, kde dosahuje ≈120 °C a první iniciuje skládání, ale rychle se snižuje se na teplotu podložky, což je důležité pro rychlý a selektivní ohřev pantu.
Obrázek 7: Termo-fotografie pomocí infračervené kamery na začátku skládání Shrinky-Dink.
Na obrázeku 8 vidíme dvě fotografie:
a) plochá Shrinky-Dink folie (průměr 10 mm) s černým inkoustem ve tvaru soustředné kružnice (w = 1 mm, vnější průměr 6 mm)
b) výsledný prostorový tvar tvoří sedlovou konstrukci, která byla vytvořena po expozici záření (2)
Obrázek 8: Shrinky-Dink folie ve tvaru soustředné kružnice a výsledný prostorový tvar.
1.1.1 Zhodnocení trendů
Do budoucna mají samovolně transformovatelné struktury potenciál užití v logistice, robotice, textilním průmyslu, architektuře, designu a rychlém prototypování.
Můžeme si např. představit roboty, které transformujeme do vesmíru ve skladné 2D formě a na dálku složíme či textilní a stavební materiály, které se zformují prostřednictvím aktivačního činidla, a tak ušetří mnoho mechanických kroků a jejich výroba se stane elegantní. Navíc bude možné sestavit je vzdáleně, což sníží nutnost
19
vystavení lidského organismu nepřátelskému prostředí. Například vojenské struktury tak bude možno sestavit bez přítomnosti inženýrů.
V současné době je nejběžnějším způsobem rychlých výrobních metod 3D tisk (kladení materiálu přímo do požadované struktury). Technika inspirovaná origami vytváří trojrozměrné struktury, sklopením dvourozměrného materiálu. To má několik výhod oproti tradičním metodám: skládání tenkých plechů do 3D tvarů často vyžaduje méně materiálu než ekvivalentní pevná konstrukce. Existuje mnoho rovinných výrobních technik, jako je řezání laserem a litografie, které mohou být použity pro rychlejší a levnější výrobu kompozitních materiálů než 3D tisk. Navíc, skládací stroje mohou být přepravovány ve své dvojrozměrné podobě a zlevnit tak logistiku. Skládáním je možné vytvořit libovolně složité tvary, mechanismy, a dokonce i roboty. Bohužel, tyto stroje jsou stále složitější a ruční skládání u nich vyžaduje větší zručnost a úsilí. I jednoduchý tiskový robot může vyžadovat více než 100 záhybů a v malém měřítku je ruční skládání nemožné. Konstrukce z programovatelných materiálů zvýší hodnotu této výrobní metody tím, že sníží čas a úsilí, které je pro ni potřebné. (1)
1.1.2 Vytvoření cílů
Cílem práce je prozkoumat podstatu samovolné transformace z hlediska fyzikálního fungování a zároveň výtvarného přesahu jevu, najít vhodné a dostupné materiály, které umožní jev zkoumat, ověřit jejich fungování v experimentální části a vytvořit vzory a kompozitní materiály, které pomohou porozumět fyzickému programování.
Na základě literární rešerše bude v experimentální části použit princip lokální absorpce záření termoaktivními polymerními foliemi. Experiment využije srážlivost a srážecí sílu materiálu. Druhý experiment bude zkoumat programování netkaných textilií za využití sráživých vláken. Foto a video dokumentace experimentu, poslouží jako inspirace k vlastnímu ztvárnění výtvarného přesahu v závěrečné části.
1.2 A
NALÝZAPopis kapitoly
Analýza slouží především jako inspirace k experimentální části. Měla by ukázat šířku významu pojmu fyzického programování, dále shrnout nejinspirativnější zahraniční reference a vize. A také posloužit jako zdroj znalostí o vlastnostech polymerů. Tím pomůže pochopit jejich chování v experimentální části.
1.2.1 Programování v přírodě
Příroda je zásobárnou procesů, které lze programovat např. scvrkávání slupky na povrchu ovoce, vysoušení listů na podzim, rozkvétání poupat, rychlé pohyby v rostlinách, solární sledování ve slunečnici, růst kůže a orgánů různých tvorů během metamorfozního cyklu nebo mechanismus skládání a vypouštění semen u šišek borovice. Tyto procesy zahrnují vývoj buněčných a extracelulárních vrstev, otok, nehomogenní kontrakci či rozšíření základních elementů, různé efekty dehydratace na různých vrstvách nebo aktivaci osmotických jevů. Mohou nás tím inspirovat ve vývoji napříč obory. (5)
Studium těchto procesů nám pomůže k určení podstaty skládání a šíře využití programovatelných materiálů. Nacházíme zde komplexní transformaci tvaru a funkce živých organismů, které nás mohou inspirovat k vytvoření jednoduchých struktur, které se na popud stimulu, jímž může být teplota, vlhkost či záření transformují do komplexních 3D tvarů.
Začněme skládacím mechanismem pozorovaným u šišky borovice. Způsobuje ho uvolňování vrostlých semen a stáčení (zkroucení) „lusků“. Oba jsou způsobeny rozdíly ve vrstvách. Jde o dehydrataci a orientaci výztužné celulózy.
Dalším příkladem je otok tkáně v ledových rostlinách, které uvolňují struktury podobné origami, které chrání semena během období sucha.
A nakonec velmi rychlé pohyby listů „mucholapky“ jsou zapříčiněné změnami v zakřivení povrchu listů. Těchto změn v zakřivení je dosaženo díky odlišnostem ve velikosti listu na vnitřním povrchu oproti vnějšímu povrchu. Když masožravá rostlina
21
ohýbá část listu nebo tentakule3. Rostlinné tkáně na opačných površích listů mění svou velikost.
Existují 3 hlavní mechanismy:
• kyselý růst
• růst dělením buněk
• napětí (turgor) listu
Představte si kompozitní materiál složený ze supersilného materiálu na povrchu, který se smršťuje, pod ním je umístěná druhá vrstva, která se uvolňuje (třeba z důvodu růstu). Tím pádem se kompozit ohýbá směrem ke smršťující se části.
Kyselý růst je jev, při kterém uvolnění kyselých sloučenin do listových tkání vede k uvolnění některých vláken v buněčných stěnách. Díky tomuto uvolnění se mohou buňky rozpínat. A to je kyselý růst. Zvětšující se (rostoucí) buňky činí jednu stranu listu větší a list se ohýbá na druhou stranu, než je strana, ve které probíhá kyselý růst. Kyselý růst je odpovědný za uzavírání pasti.
Pohyb listu díky turgoru (napětí) je osmotický efekt, při kterém iont (v případě mucholapky, K+) uvolněný do tkání listu způsobí, že buňky na jednom povrchu listu splasknou. Díky tomu je splasklý povrch menší a list se stočí ke splasklé straně.
Růst dělením buněk je dalším způsobem, jak se zvyšuje množství tkáně v částech listů a tentakulí. Je to relativně pomalý jev, takže nepřispívá ke zvlášť rychlému pohybu listu. (6)
A závěrem představím solární sledování ve slunečnici. Mechanismů, které se mohou podílet na denním a nočním pohybu slunečnic je více, včetně světelné signalizace, hormonálních účinků a regulace cirkadiánních růstových drah. (7)
1.2.2 Aktivní polymery
Aktivní polymer je polymer, který samovolně reaguje změnou tvaru na aktivátor.
3 Tentakule je označení pro více buněčné paličkovitě zakončené brvy. Najdeme je např. na listech masožravých rostlin.
1.2.2.1 Termoaktivní polymery (termoplasty)
Reagují na teplo samovolným formováním. Termoplasty přecházejí zahříváním do plastického stavu, ve kterém je možné je tvářet do požadovaných tvarů. Po ochlazení pod určitou teplotu opět získávají své původní vlastnosti. To znamená, že zahřívání ovlivňuje pouze jejich fyzikální vlastnosti, chemická podstata látek zůstává stejná.
Z tohoto důvodu je možné u těchto látek opakovat plastikaci a následné tuhnutí teoreticky do nekonečna. Ve skutečnosti však i u těchto látek dochází vlivem mechanického působení, času a teploty k teplotní degradaci.
TERMOPLASTY
SEMIKRYSTALICKÉ AMORFNÍ
PEI ABS PS PES PVC PE PP PPS
Teplota tání[°C] 215 110 100 230 100 140 165 290
Teplota zpracování[°C] 370 250 225 350 195 250 255 330
Teplota formy[[°C] 100 75 45 150 35 25 40 110
Tabulka 3: Teploty tání, zpracování a formy pro vybrané termoplasty
Vlastnosti polystyrenu
Polystyren je termoplast, který při pokojové teplotě zůstává v pevném nebo sklovitém stavu, při zahřátí na vyšší teplotu (cca 100 °C) se stává tekutým a po jeho následném ochlazení se vrací zpět do pevného stavu. Čistý tuhý polystyren je tvrdý a bezbarvý. Polystyren může být ale i průhledný nebo vyrobený ve spoustě různých barevách. Pružnost polystyrenu je však omezená.
Výhody polystyrenu: je levný, pevný, transparentní, má dobrou rozměrovou stálost a snadno se tvaruje. Kromě toho disponuje dobrými elektrickými vlastnostmi, nízkými dielektrickými ztrátami a vynikající odolností vůči gama záření.
Nevýhody polystyrenu: je křehký, citlivý na UV degeneraci, je hořlavý a poskytuje nedostatečnou chemickou odolnost, zejména na organické sloučeniny. (5)
23
Polystyren je nabízen ve dvou úrovních kvality:
• General Purpose Polystyren (GPPS) – polystyren pro všeobecné použití – poskytuje dobrou odolnost vůči vodě, vynikající transparentnost a vysokou dielektrickou stabilitu. Je často používán pro vysokofrekvenční izolační desky, krycí vrstvy elektronických obvodů a jiné elektrické součásti.
• High Impact Polystyren (HIPS) – polystyren pro speciální použití – poskytuje vyvážený poměr vlastností, jako jsou houževnatost, tepelná odolnost, rozměrová stálost, snadná zpracovatelnost a zároveň nízká cena. Obvykle se používá na hračky, domácí potřeby, elektrické součásti a zařízení. (5)
Vlastnosti PVC
Polyvinylchlorid je vysoko-hustotní folie, smrštitelná při nízkých teplotách. Je velmi přizpůsobivá a cenově nejdostupnější. Byl to první stahovací materiál, který se začal používat v polovině 70. Let. Schopnost smrštění až 65℅ při teplotě 95°C.
Vlastnosti ABS
Akrylnitril - butadien - styren má vysokou pevnost v tahu, rozměrovou stálost, tvrdost povrchu a tuhost v širokém rozsahu teplot. Určité druhy vykazují dobrou rázovou pevnost při nízkých teplotách od -40 °C. Je flexibilní, chemicky odolný, má lesklý povrch a relativně nízké výrobní náklady. ABS se proto používá v široké škále produktů, od hraček až po díly pro automobilový průmysl.
Přidáním různých látek v určitých poměrech dosáhneme různých druhů ABS, které mají celou řadu požadovaných vlastností, např. zvýšenou odolnost proti nárazům, houževnatost a tepelnou odolnost. Je možné přidat přísady pro ochranu proti ultrafialovému záření, látky zabraňující hoření (samozhášivá schopnost) nebo galvanické látky. ABS je snadno mísitelný s jinými polymery jako je polyvinylchlorid, polykarbonát nebo polysulfon, což dále zvyšuje rozsah užitných vlastností.
Konečné vlastnosti ovlivňují do jisté míry i to, za jakých podmínek musí být materiál nahříván a ochlazován při procesu tepelného tvarování. Formování ABS při vysokých teplotách zvyšuje lesk a tepelnou odolnost, tvarování při nízkých teplotách přináší vyšší odolnost proti nárazu a pevnost.
Neupravený plast z ABS má neprůhlednou bílou nebo krémovou barvu, lze jej snadno obarvit různými pigmenty a barvivy. ABS může být potažen lakem, chromem nebo natřen akrylem či polyesterem. ABS desky mohou být k sobě navzájem lepeny pomocí různých lepidel, látek obsahujících rozpouštědla nebo mohou být přilepeny na jiné materiály pomocí polyuretanu či epoxidu. (5)
Vlastnosti PP
Polypropylen je velmi všestranný materiál a nabízí skvělou kombinaci vlastností mezi které patří např. tuhost v pevnost v ohybu. Je pevný, lehký a tepelně odolný.
Je snadno opracovatelný a může být použit pro celou řadu výrobních metod a využití.
Jeho výroba probíhá pomocí roztoku nebo suspenze v plynné fázi procesu, kde je monomer propylenu s pomocí katalyzačního systému vystaven teplu a tlaku.
Polymerace je prováděna při nízké teplotě a tlaku, takže výsledný produkt je průsvitný nebo plně barevný. Aby se změnily vlastnosti plastu, musí být změněny katalyzační a výrobní podmínky.
PP nevykazuje žádné problémy s trhlinami při napínání, poskytuje vynikající elektrickou a chemickou odolnost při vyšších teplotách. Vlastnosti polypropylenu jsou podobné vlastnostem polyethylenu, jsou tam ale některé konkrétní rozdíly, jako je nižší hustota, vyšší bod tavení, vyšší tuhost a tvrdost. Aby byl polymer během zpracování chráněn a dosáhlo se vyšší užitné hodnoty u koncového uživatele, obsahují všechny komerčně vyráběné polypropylenové pryskyřice přidaná aditiv. Na trhu jsou k mání různé úrovně kvality v závislosti na metodách zpracování a koncovém využití. (5)
Stručná charakteristika shrinky-dink folií
Základní materiál sestává z tenkého, pružného plastu polystyrenu. Po zahřátí se plast smrští asi o pět osmin a stane se tlustším a tužším. V roce 2008 Profesor Michelle Khine aplikoval Shrinky-Dinks k vytvoření drobných struktur pro uplatnění mikrofluidice
25
na výzkum kmenových buněk. V roce 2014 tým z Harvard University a MIT použil Shrinky Dinks k vytvoření samo-skládatelných robotů.
Stručná charakteristika shrink sleeves folií
Smršťovací návlekové etikety shrink sleeves jsou celoplošné obvodové etikety slepené do rukávu, které se teplem smrští okolo formy. Nejznámějšími výrobci jsou Klöckner & co, Alfatherm, Bonset . (8)
Obrázek 9: Křivky závislosti smrštění polymerů na teplotě. (9)
Materiály užívané pro shrink sleeves folie
Smršťovací folie se obvykle vyrábí z PVC (polyvinylchlorid), PET-G (polyethylen tetraftalát glukol), OPS (orientovaný polystyren), PLA (polylaktid), OPP (orientovaný polypropylen), TPE-G, TPE-S a COC/PE (cyklický olefin kopolymer. Smrštitelnost do 75%
a hloubka folie bývá 45 µm - 60 µm. (9) Polyvinyl Chloride (PVC)
PVC je vysokohustotní folie, která se smršťuje již při nízkých teplotách. Jedná se o nejčastěji používaný smršťovací materiál a zároveň nejjednodušší pro řízení procesu smršťování. Má vynikající míru smrštění, jasnost, tiskovou kvalitu. PVC má také vysokou rázovou houževnatost pro větší odolnost proti povětrnostním vlivům. Materiál je také odolný vůči oděru a má nejnižší náklady, ale je méně šetrný k životnímu prostředí než
jiné materiály užívané v současné době. Schopnost smrštění až 65%
při teplotě 95 °C.
Polypropylenetereftalát-glykol (PET-G)
PET-G je s vysokohustotní fólie s vysokou pevností a vynikající jasností.
Užívá se např. ve 3D tisku. PET-G je nejdražší a nejvíce tepelně odolný materiál z materiálů užívaných pro výrobu shrink-sleeve folií. Je nejvíce odolný proti oděru, má vyšší lesk, a rovněž vyšší procento smrštění. Navíc, PET-G můžeme recyklovat. Schopnost smrštění až 65% při teplotě 95 °C.
Polylaktid (PLA)
PLA je biologicky odbouratelný termoplast vyrobený z obnovitelných zdrojů.
Skutečnost, že je biologicky odbouratelný zvýšila jeho popularitu v posledních letech a kromě jeho užití jako etikety se rovněž používá jako obalový materiál.
Orientovaný polystyren (OPS)
OPS se vyznačuje vyšší poddajností než ostatní smršťovací folie, takže je ideální pro stlačitelné aplikace. Schopnost smrštění je až 45% při teplotě 95°C.
Pěnový polystyren (EPS)
EPS je termoplast schopný recyklace. Ačkoli se jedná o lehký materiál, je relativně mechanicky silný na svou lehkost a má vysokou odolnost vůči teplu, což z něj dělá vynikající izolant. EPS nabízí výjimečnou formu ochrany. (11)
Tiskové technologie užívané pro shrink sleeves folie
Tisková technologie flexotisk umožňuje na etikety nanést speciální efekty, jako je kovoražba, termochromické, fluoreskující, reflexní nebo UV barvy, holografické fólie, nebo metalické efekty, oboustranný potisk, lakování, laminování, vrstvení materiálu, vysekávání nosného materiálu. Jde o systém UV vytvrzování barev, který převažuje nad klasickým rozpouštědlovým systémem (líh, voda). (9)
Další možností je hlubotisk, pro který se užívají lihové inkoustové barvy.
Nevýhodou jsou velké náklady spojené s výrobou tiskových forem. Běžně dostupnou technoligií je digitální tisk. Používá fotografickou kvalitu obrazu a je ideální pro tisk
27
prototypů a krátkodobé projekty. Vyžaduje však speciální nátěry pro přilnavost inkoustu nebo úpravu povrchu ionizací.
(10)
Obrázek 10: Schéma průběhu flexotisku
1.2.3 Reference zahraničních projektů 1.2.3.1 „Hydro-fold“
Cílem projektu je prozkoumat vlastnosti papíru a možnosti, kterými tekutina může měnit jeho strukturu. Užívá po domácku upravené zařízení, které tiskne inkoust ředěný vodou. Pomocí konkrétní směsi inkoustu můžeme na papír vytisknout komplexní vzory.
Jak inkoust vysychá, narušuje papír a kolem vlhkých potištěných ploch vznikají záhyby, a tak transformuje plochý list v trojrozměrné struktury. (10)
Hlavní komponenty k výrobě
Klasická domácí tiskárna s upraveným zásobníkem, specifická směs inkoustu, voda, pauzovací papír, vzory pro tisk.
Inovativní myšlenky
Zatímco za normálních okolností by tyto složité formy vyžadovaly poněkud složité simulace v 3D programu, tato metoda využívá tvarovatelnost papíru, který může skládat do požadovaných tvarů na základě tištěných vzorů.
Obrázek 11: Projekt Hydro-fold
1.2.3.2 „Traces“
Sebe-transformace plochých polystyrenových listů do 3D forem kontrolovaným a jedinečným způsobem. Na rozdíl od tradiční mechanické aktivace, tato metoda nevyžaduje žádné složité díly, senzory nebo akční členy; snižuje celkovou hmotnost a minimalizuje užití složitých mechanismů. (11)
Princip
Naprogramované polystyrenové folie se samovolně transformují tiskem aktivního materiálu na flexibilní polystyren. Aktivátorem je tepelné záření. Každý kousek plastu je definován jiným vzorem a po zahřátí mění svůj tvar pro vytvoření aerodynamicky výhodných tvarů.
Hlavní komponenty k výrobě
Transparentní polystyrenové folie, černý inkoust, zdroj záření.
Inovativní myšlenky
Nový způsob průmyslové výroby s využitím potisku polystyrenových folií, díky kterému zrychlíme proces výroby složitých tvarů.
29
K zamyšlení
Jako média pro aktivaci je zde užito tepelného záření, ale lze si představit, že by bylo možné vytvořit kompozity, které se radikálně přizpůsobí např. extrémním přírodním podmínkám. Největším úskalím experimentu je hořlavost polystyrenových folií při delšímu vystavení teplu. Je důležité tedy dobře nastavit čas pokusu, intenzitu záření a tloušťku folií. (12)
1.2.3.3 „Autonomní robot“
Sestrojení autonomního robota, který začíná jako jediná kompozitní fólie naprogramovaná tak, aby se složila do složitého tvaru a odplazila bez jakéhokoliv lidského zásahu.
Princip
Sestavení rafinované konstrukce trvalo pouhé dvě hodiny díky metodě, která se spoléhá na sílu origami a zajišťuje složení 1 listu papíru do složitých struktur. Přístup inspirovaný origami umožnil celého robota velmi zjednodušit. Z původně plochého listu,
Obrázek 12: Experiment "Traces"
se stal komplexní 3D tvar, ke kterému byly přidány dva motory, dvě baterie a mikročip, který funguje jako robotův "mozek,". Vložením elektromechanického systému do rovného plechu a navržení optimálního designu bylo zajištěno postupné skládání robota, díky postupnému zahřívání jednotlivých elektro-obvodů.
Hlavní komponenty k výrobě
Inkoust z tiskárny, karton, laserová řezačka.
Postup výroby prototypu
List byl složený z papíru a Shrinky dinks® a jedné flexibilní desky ve středu. Jeho součástí jsou i panty, které byly naprogramovány, aby se složili v určitých úhlech. Každý závěs obsahoval vložené obvody, které produkují teplo na povel z mikroprocesoru. Teplo spouští sestavení kompozitu v několika sériích. Když panty vychladnou (asi po čtyřech minutách) polystyren ztvrdne – což tvoří robota tuhým – a mikroprocesor pak signalizuje robotovi, aby odešel. Celá akce spotřebuje zhruba stejné množství energie, jako je v jednom AA alkalické baterie. Robot pracuje na časovač, čeká asi deset sekund poté, co jsou instalovány baterie, pak začne skládání. Nicméně, "mohli bychom ho snadno modifikovat tak, že se skládání spustí reakcí na podmínky v prostředí, jako je teplota nebo tlak," říká Felton.
Inovativní myšlenky
Jde o prvního robota, který se složí sám a vykoná funkci, bez lidského zásahu.
K zamyšlení
Tato metoda je komplementární k 3D tisku, který je také velmi slibný pro rychlou a levnou výrobu robotů, ale bojuje s integrací elektrických součástí. A v tomto konkrétním případě by trvalo mnohem déle vyrobit funkční prototyp.
Úskalí
Jedním z hlavních problémů v procesu byl sklon robotů shořet před tím, než se správně složili; každý z nich pracuje na asi desetinásobku proudu, který obvykle vede přes žárovky. "Zde je hodně prostoru pro zlepšování" řekl Felton, který chce
31
experimentovat s různými druhy polymerů s tvarovou pamětí – materiálů jako je polystyren, které jsou silnější a vyžadují méně tepla pro aktivaci.
Vize
Samo-skládací struktury umožní velmi exotická užití např.: "Představte si balík desítky robotických satelitů složených dohromady tak, aby mohly být zaslány do vesmíru, a pak jsme je mohli jednoduše sestavit na dálku, jakmile se dostanou na místo určení, mohli by pořizovat snímky, shromažďovat data a další," řekl Sam Felton.
(13)
Obrázek 13: Samosložitelný robot
1.2.3.4 „Weaved“
Posledních několik měsíců, Dana Zelig experimentovala s textilem a polymery.
Prozkoumávala různé druhy polymerů a různé způsoby jejich aplikací na tkanině. Dana je schopná modelovat tkaniny do trojrozměrné struktury za použití fyzicky programovatelných plastových vzorů. Rozhodla se prozkoumat možnosti použití plastu na tkaniny, a to prostřednictvím jejich stlačení. Teplo manipuluje plast a plastové vzory zvlní látku.
Postup Výroby Prototypu
Nejprve se laserovou řezačkou vyřeže generativní distribuční vzor do polystyrenu, pak se upraví plastické vzory na tkanině přes vysoké teploty lisovacího stroje. Vzor složitých textilních struktur se složí během několika minut. (14)
Obrázek 14: Dana Zelig, Wawed
33
2 E XPERIMENTÁLNÍ ČÁST
Popis kapitoly
Experimentální část diplomové práce obsahuje dvě hlavní kapitoly. Nejprve se zabývá tvarováním zkušebních vzorků, jejich pozorováním, analýzou zjištěných výsledků a jejich video a foto dokumentací. V závěru první části představím nové nápady na využití.
Druhou částí je výběr nejzajímavějších vzorků a jejich ztvárnění v závěrečné instalaci, která má za úkol ukázat jev v novém světle.
2.1 M
ATERIÁLY A METODYPři hledání tématu výzkumu byl proveden experiment se sráživými vlákny.
Nakonec bylo rozhodnuto věnovat se hlouběji dostupnějším shrink-sleeves foliím, nicméně sráživá vlákna jsou pro výzkum programovatelných materiálů velmi zajímavá, a tak se o něm zmíním v úvodu praktické části. Pokus vyvolává tvarování pomocí srážlivých vláken, která reagují na teplo. Prošitím dvou vrstev netkaných textilií vznikne kompozitní materiál, jež obsahuje jednu sráživou a jednu nesráživou vrstvu. Cílem pokusu je manipulace objemu neboli přechod z 2D do 3D formy.
V průběhu teoretické části bylo rozhodnuto o provedení experimentu ze shrink- sleeves folií vzhledem k jejich vysoké míře smrštění a srážecí síle. Tyto parametry jsou důležité hlavně pro tvorbu kompozitních materiálů. Čím budou větší, tím budou schopné výrazněji formovat ostatní materiály. V pokusu bude zkoumáno chování folií po ozáření, vliv potisku folií a šíře vzoru na tvarování. Celkem je k pozorování připraveno 100 vzorků folie a jejích kompozit.
Folie shrink-sleeves lze také potisknout, ale vzhledem k nákladům spojeným s tiskem v menších sériích je vzorování zpracováno ručně a dále využívá zbytkové již potištěné etikety. Důvodem jejich výběru je také snadná dostupnost. V Čechách je řada firem, které tyto folie využívají především k marketingovým účelům, pro výrobu a potisk etiket, kelímků a dalších obalových materiálů. Nejbližší přímé výrobce folií nalezneme v Německu např. Bilcare, Drew &Rogers, Sleever international. Nicméně, jak bylo řečeno, je zde více firem, které s nimi pracují a bylo tedy možné od nich získat nejen
potřebné informace, ale i vzorky pro experimentování. S ochotou, vstřícností a nadšením pro inovace jsem se setkala ve firmách Pemax print a Aledeto.
2.1.1 Charakteristika vybraných metod
Hlavní metodou užívanou při experimentování je lokální absorpce záření na shrink- sleeve folie. Na rozdíl od ohřevu v mikrovlnné troubě nebo troubě tato metoda umožňuje video záznam.
2.1.1.1 Reakce netkaných textilií a sráživých vláken na zahřátí 50°C
Prošitím dvou vrstev netkaných textilií vznikl kompozit, jež obsahuje jednu sráživou a jednu nesráživou vrstvu. Po zahřátí v troubě na 50 °C sráživá vrstva reagovala smrštěním a vznikla 3D struktura. Tento experiment nevyužívá lokální absorbci. Sráživá vlákna se smršťují celoplošně.
Pokud bychom sráživá vlákna dokázaly nanášet lokálně - vpichováním či např.
kladením (podobně jako 3D tisk) šlo by docílit „tištěné výroby“. Podobně jako v projektu Waved Dany Zelig bychom využili lokální nanesení aktivní sráživé vrstvy. Experimenty, které by využívali sráživá vlákna k programování materiálů jsem při výzkumu neobjevila.
Obrázek 15: 3D tvary vzniklé zahřátím kompozit sráživých vláken a nesráživých netkaných textilií
35
2.1.1.2 Reakce netkané textilie a sráživých vláken na záření
Netkaná textilie byla opatřena akrylovou černou barvou a vystavena záření.
Díky černé linii, která pohlcovala nejvíce světla, se materiál zahříval primárně v místě, kudy vede linie a vytvaroval se podle ní.
Vzhledem k anizotropii textilie bylo pro pokus důležité vybrat směr vedení linie ve směru orientace vláken. Zatímco vedení linie ve směru vláken funguje jako pant, dle kterého se materiál ohne, u vedení kolmo k vláknům odpovídal výsledný tvar po zahřátí spíše oblouku. Obdobného obloukového výsledku bylo dosaženo i bez použití tvarovací linie, jak můžeme vidět na obrázku 18, lze říci, že je pro materiál typické. Dochází k němu v důsledku tenze způsobené srážením vláken ve směru jejich orientace. Zatímco pohyb dle pantu na obrázku 16 je vyvolán lokálním zahřátím. Linie řídí pohyb materiálu a pokus je výsledkem jednoduchého fyzického programování.
Obrázek 16: Vodící linie je umístěna ve směru vláken.
Obrázek 17: Vodící linie kolmo ke směru vláken. Obrázek 18: Bez vodící linie.
2.1.1.3 Reakce kompozitních materiálů ze shrink-sleeves folií na vystavení záření.
Pokus je zaměřen na kompozitní materiály vytvořené ze shrink-sleeves folií.
V první části vidíme vzorek před reakcí a následuje jeho postupné nekontaktní skládání.
Důležitým faktorem v tomto pokusu bylo užití lepidla určeného k lepení plastů a dostatečná doba pro zaschnutí. Pokud materiály dobře nepřilnuly, došlo k odlepení vrchní folie a efekt se neprojevil. V mém případě směr orientace vláken odpovídal směru odvíjení role.
První vzorek je složen ze dvou shrink-sleeve folií. Černá linie se smršťuje a ohýbá tak spodní folii. Tento efekt je následkem lokální absorpce světla v místě černé linie.
Vzhledem k tomu, že folie jsou anizotropní a černá linie je vedena kolmo k vláknům dojde k vytvarování mírného oblouku, stejně jako tomu bylo v případě netkané textilie.
Pokud bychom daly zahřát vzorek bez černé linie, shrink-sleeve se zkroutí neřízeně v různých směrech.
Obrázek 19: Reakce kompozit ze shrink-sleeves folií. Vodící linie je umístěna kolmo na směr vláken.
Druhý vzorek na obrázku 21 je také složen z dvou shrink-sleeve folií, ale jeho reakce je odlišná. Vidíme, že teplo absorbuje černá linie, která rovnoměrně ohýbá druhou folii. Efekt je následkem lokální absorpce světla v místě černé linie. Ta zahřívá sebe a zároveň shrink-sleeve folii pod sebou. Vzhledem k tomu, že folie jsou anizotropní a černá linie je vedena ve směru vláken dochází k přesnému řízenému ohybu.
37
Obrázek 20: Řízené skládání kompozitního materiálu složeného z 2 folií
Obrázek 21: Na obrázku 1-3 vidíme průběh procesu skládání v čase t1= 8s, t2=12s a t3=16s
Další vzorek má vodící linii nakreslenou lihovým popisovačem. Na tuto linii materiál nereaguje. Smrštění je neřízené, jakoby tam linie nebyla. Tento výsledek neovlivní ani jiný směr linie, ani její šířka a ani intenzita záření. Oblast pod lihovým popisovačem je opticky transparentní a nemůže tedy absorbovat světlo.
Obrázek 22: Vodící linie nakreslena lihovým popisovačem
Následující vzorek užívá linii z voděodolného inkoustu. Na rozdíl od lihového popisovače tento inkoust teplo absorbuje a reakce probíhá stejně jako u kompozit průhledné a černé folie. Dojde k řízené reakci založené na lokální absorpci. Inkoust na foliích příliš dobře nedrží. Bylo by tedy vhodné ho přelakovat nebo vytvrdit, což pro tiskárnu, která se zabývá potiskem folií, není problém.
Vzhledem k tomu, že nebylo užito dokonale rozostřené světlo, světelné pole nebylo homogenní. Výsledné geometrie se od sebe mírně lišily v závislosti na azimutální orientaci. Folie nebyla matná, ale házela odlesky.
39
Obrázek 23: Vodící linie nakreslena voděodolným inkoustem
Třetí vzorek je složen ze shrink-sleeve folie a hedvábného papíru. Výsledná geometrie je následkem reakce shrink-sleeve folie na záření. Vzhledem k poddajnosti papíru vznikne „nařasený“ vzor.
Obrázek 24: Reakce kompozitu na expozici záření
2.1.1.4 Reakce potištěných a vzorovaných shrink-sleeve folií na expozici záření Na fotografii vlevo nahoře vidíme pruhovaně potištěný vzorek shrink-sleeve folie.
Vzhledem k potištění kolmo na směr materiálu vytváří po ozáření válcovitý tvar.
Při bližším zkoumání vidíme, že tvar má schodovitý charakter a délka jeho obvodu je v každém místě mírně odlišná. V místě nejširšího pruhu obvod dosahuje lokálního minima, protože zde proběhla nejsilnější absorpce světla a došlo k největšímu smrštění.
Naopak lokálního maxima v délce obvodu dosahuje v místě s nejtenčím pruhem.
Fotografie vpravo nahoře ukazuje zahřátí vzorku potištěného kolmo ke směru folie. Smrštění probíhá opět v místě, kde je nejtmavší barva, tedy v místě stříbrné a vínové linie.
Fotografie vlevo dole ukazuje vzorovanou shrink-sleeve folii z PVC o tloušťce 50 µm. Na folii byl nakreslen vzor čtverce černým voděodolným inkoustem. Vidíme, že po zahřátí linie, ve směru vláken fungují jako panty, dle kterých vznikl záhyb, zatímco linie kolmé k vláknům tvar smrštily do tvaru podobného půlkruhu.
Poslední fotografie vpravo dole zachycuje ohyb dle vínové linie uprostřed tenkého pruhu.
Obrázek 25: Potištěné a vzorované (vlevo dole) shrink-sleeve folie po vystavení IČ záření.
41
Na fotografiích níže vidíme proces skládání pruhovaně potištěného vzorku shrink- sleeve folie. Vzhledem k potištění kolmo na směr orientace materiálu vytváří po ozáření válcovitý tvar. Vzhledem k tom, že nejtmavším místem je horní linie, dochází zde k největšímu smrštění.
Obrázek 26: Proces skládání potištěné folie v čase t1=0s;t2=5s;t3=10s;t3=25s
Na obrázku 27 vidíme proces skládání pruhovaně potištěného vzorku shrink-sleeve folie. Při bližším zkoumání vidíme, že tvar má schodovitý charakter a délka jeho obvodu je v každém místě mírně odlišná dle šíře linie.
Obrázek 27: Proces skládání potištěné folie v čase t1=5s; t2=15s;t3=25,t4=30s
Obrázek 28 demonstruje skládání proces skládání vzorku folie s dvěma vodícími liniemi. Vidíme, že se konce folie ohnou téměř identicky kolem vodících linií. Naopak střed folie zůstává v klidu. Dochází pouze k ohybu lehčí části folie.
2.1.2 Zhodnocení
Na základě experimentu bylo ověřeno, že polymerní folie i netkané textilie jsou vhodné programovatelné materiály. Výchozí předpoklad, že černé linie budou absorbovat více záření a fungovat jako panty, podle kterých se budou shrink-sleeves ohýbat byl správný. Podařilo se provést řízené reakce shrink-sleeves folií, tištěných i ručně vzorovaných a také jejich kompozit a získat tak zajímavé nekontaktně vytvořené 3D objekty. Shrink-sleeves folie mají dostatečnou srážecí sílu k tvarování dalších vzorků.
Experimenty s hedvábným a klasickým kancelářským papírem ukázaly, že podobně tuhé materiály jimi můžeme bez problémů tvarovat. Při formování kompozit ze dvou shrink- sleeves folií bylo zjištěno, že teplo absorbuje jen černá folie, probíhá tedy lokální ohřev,
Obrázek 28: Proces skládání kompozitu folie s dvojitým vzorováním
