Table of Contents
מהו הדפסה 4D וכיצד היא מציגה מדפסת 3D?
הדפסה 4D בונה ישירות על הבסיס של הדפסה תלת מימדית על ידי הוספת מימד רביעי: זמן. הדפסה 3D קונבנציונלי, אובייקט הוא מארג שכבה על ידי שכבה ונשאר סטטי לאחר הייצור. 4D הדפסה, עם זאת, משתמש בחומרים חכמים - הנקראים גם חומרים רגישים או תכנות חומרים - שיכול לשנות צורה, תכונות, או פוסט פונקציונליות כאשר נחשפים לגורם סביבתי מסוים כגון חום, לחות, pH, או בקרה מגנטית, או דינמית, או קרינת אבטחה.
הרעיון היה פופולרי לראשונה על ידי Skylar Tibbits ב MIT בשנת 2013, ומאז השדה גדל במהירות, במיוחד באזורים הדורשים miniaturization והתאמה.אפשרות המפתח היא שילוב של דיוק ייצור תוספת עם חומרים מדע, המאפשר למהנדסים לעצב מבנים כי קפל, bend, הישבן, הרחבה, חוזה, או אפילו לתקן את עצמם באופן אוטונומי.
ייצור מיקרו-השפעהי מסורתי מבוסס על ליתוגרפיה נקייה, ליתוגרפיה רכה, או אסיפה ידנית של חלקים.שיטות אלה יקרות, זמן-המשך, ולעתים קרובות מגבילות מורכבות גיאומטרית.דפסת 4D יכולה לייצר מכשירים שמתחילים כדינים שטוחים או צורות פשוטות ולאחר מכן להרכיב לתוך רשתות מורכבות, שסתום, או ערבוב חומרים שתיקון מיקרוסקופיים יכול להרחיב באופן משמעותי את המנגנונים של טיפול עצמי עבור מערכות מרוחקות, או מנגנונים מכניים עתידיים, או מנגנונים מכניים.
מכניזם Core מאחורי הדפסה 4D
רפורמציה באמצעות חומרים סטרימיוליים-Responsive Materials
המנגנון הנפוץ ביותר כולל בצורת פולימרים זיכרון (SMPs) ו הידרוג'לs שעוברים שינויים הפיכה או בלתי הפיכים. SMPs ניתן לפענח ולאחר מכן קבוע בצורת זמנית.כאשר מופעל על ידי חום (לעיתים קרובות מעל טמפרטורת מעבר), הם חוזרים לצורה קבועה מראש. עבור מיקרו-fluidics, זה מאפשר גיליון מודפס שטוח כדי לקפל לתוך שלוש ממדי כאשר הם ממוקמים בעדינות או חם מים.
הידרוגלs להגיב לחות או pH. שכבת הידרוג מודפסת בצד אחד של סרט דק יהיה swell כאשר רטוב, גורם כיפוף או מסולסל. על ידי הצבת שכבות פעיל ופאסיבי, מהנדסים יכולים לעצב hings, רולס, מורכבים אוigami-כמו קפלים. חומרים רגישים אור (liquid גבישי elastomers) לאפשר הפעלה מרחוק ללא מגע, אידיאלי עבור סביבות מיקרו-מסוגיות.
self-Assembly: מ 2D Sheets to 3D Microערוצים
הערכה עצמית במבנה של 4D-- מודפס מיקרו-קלידיקים בדרך כלל מסתמכת על הרחבה שונה או התכווצות בין שני חומרים. מבנה דו-שכבה - שכבה פעילה (למשל הידרוג) המחוברת לשכבה פסיבית (למשל, פולימרן נוקשה) - פרנים כאשר השכבה הפעילה מגיבה לטריגר.
גישה נוספת משתמשת במתח מלהיות חומרי הקטנת כמות החומרים.SMPs ניתן להדפיס במצב מתוח; על חימום, הם חוזים ומושך את המכשיר לתוך הצורה הסופית שלו. שיטה זו היא שימושית במיוחד ליצירת ערוצים מורכבים אשר יהיה בלתי אפשרי לעצב ישירות.
תיקון עצמי: תיקון אוטונומי במיקרו-קול
מכשירים מיקרו-השפעה עצמית משלבים חומרים שיכולים לשחזר שלמות מבנית לאחר סדק או puncturing. שתי אסטרטגיות עיקריות משמשים: ריפוי דרסטי (באמצעות microcapsules או רשתות פולשניות) וריפוי intrinsic (באמצעות אג"ח כימי פגום) במערכות מבוססות מיקרו-capsules, המיקרו-capsules מכיל סוכן ריפוי (למשל, כאשר הוא משחרר את השבר לתוך צינורות, כאשר הוא משחרר את הנפץ, תחת נזקי, לתוך צינורות).
הסתמכות עצמית פנימית אינטרינסיבית מסתמכת על אג"ח דינמיים או אינטראקציות העליונות בתוך הממטריקס פולימריא.לדוגמה, דילס-אלדר מוסיפים פיסות או קישורים מסולפים יכולים לפרוץ ורפורמה תחת חום מתון, המאפשרים לחומר לרפא שוב ושוב. במיקרו-קלודייקים, ערוץ עצמי יכול להתאושש מ קרישות או מלחצים מכניים, שמירה על זרימת נוזלים ללא התערבות ידנית עבור מערכות ניטור רציף זה הוא אמצעי בקרה מרחוק.
חומרים המשמשים הדפסה 4D עבור Microfluidics
Shape Memory Polymers (SMPs)
SMPs משותף כוללים מערכות מבוססות פוליאורטן ופוליסטרים מחוברים.הם מציעים כוח מכני מעולה ו ביו-קופטרון, מה שהופך אותם מתאימים למכשירים מיקרו-השפעהיים רפואיים. הדפסה עם SMPs לעתים קרובות דורש filaments או resins כי ניתן לתכנן באמצעות ריפוי תרמי או UV. 2 נתיב SMPs שיכול לעבור בין שני צורות ללא repromming מפותחים עבור יישומים דינמיים ושעמום.
המונחים: hydrogels
הידרוגלים כמו פולי(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) מתכווץ כאשר מחומם מעל 3 מעלות צלזיוס, בעוד אחרים swell ב pH נמוך.הם אידיאליים עבור הערכה עצמית כי הם יכולים להיות מודפסים כמו שכבות דקות העוברות שינויים בנפח גדול.תוכן המים הגבוה שלהם גם עושה אותם מתאימים למכשירים מיקרו-השפעה של תאים (אוורגמנים) עם זאת, רכה שלהם יכול להשתמש בערוצים בלחץ גבוה.
Crystal Elastomers (LCE)
שינוי צורת שינוי משתנה באופן רציני כאשר נחשפים לאור (לעתים קרובות UV) או טמפרטורה. הם מבטיחים במיוחד עבור הפעלה אלחוטית ויכולים להיות מותאמים להגיב באורכי גל ספציפיים. במיקרו-קלודייקים, LCEs יכול לפעול כמיקרו-valves שנפתחים כאשר מוארים, המאפשרים שליטה ללא מגע.
« « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « «
ניסוחים פולימר המכילים microcapsules או אג"ח דינמי הם אופטימיזציה עבור הדפסה דיוג'ט ו סטראוליתוגרפיה. לדוגמה, מערכות פרנמיות דיאלס-אלדר ניתן להדפיס ולאחר מכן לרפא ב 120 מעלות צלזיוס יותר התפתחויות האחרונות כוללים elastomers של החדר מבוסס על חיבור מימן, אשר תיקון בתוך דקות לאחר נזק.
טכניקות ייצור עבור 4D Microfluidic מכשירים
Stereolithography (SLA) ו-DLP (DLP)
SLA ו DLP הם אידיאליים עבור הדפסה 4D כי הם מציעים החלטה גבוהה (עשרות מיקרונים) ויכולים להדפיס עודף מורכב. Resins המכיל זיכרון צורה או רכיבי הידרוג 'ל עכשיו זמינים. על ידי תכנות רצף או הכללה של רסטיןים שונים במדפסות רב-חומריות, מהנדסים יכולים ליצור ארכיטקטורות עם ⁇ s בלחץ שנקבע מראש כי מניע עצמי על שחרור מן הצלחת.
מודל FDM (FDM)
FDM משמש נרחב עבור SMP filaments ויכול ליצור ⁇ או מבנים רב-חומריים בעלות נמוכה.המגבלה העיקרית היא החלטה נמוכה יותר (100-200 μm ערוצים), אבל עבור מכשירים מיקרו-השפעה גדולים יותר או חלקים אשר עצמם להרכיב לתוך ערוצים, FD נשאר מעשי. כפול extruders לאפשר חומר אחד לפעול כתומך הקרבי ועוד כמרכיב פעיל.
הדפסה ישירה וכתיבה ישירה
הדפסת דיוג'ט הדפסת טיפות של חומר חכם עם דיוק גבוה.זה מתאים הדפסה הידרוגלס ו דיוישים גביש נוזלי. כתיבה ישירה דיו משתמשת nozzle כדי extrude רציף של inks מולקולטיים, המאפשר יצירת סיבים שיכולים לשנות צורה. שיטות אלה משמשים כדי להדפיס סטרטטורים דקים-סרטים ו-healings עבור ציפויים מיקרו-קליים.
4D הדפסה של ננוקום
הוספת חלקיקים (למשל, גרפן, צינורות פחמן, חלקיקים מגנטיים) לחומר ההדפסה יכול להקנות תגובה נוספת.לדוגמה, חלקיקים מגנטיים מאפשרים להדק מרחוק באמצעות שדה מגנטי משתנה.ננוקום גם משפר כוח מכני ו מוליכות חשמלית, אפשרויות פתיחה לחיישנים משולבים במכשירים מיקרו-השפעהיים.
מכשירים מיקרו-השפעהיים עצמיים
Origami-Inspired Fluidic Networks
על ידי הדפסה של גיליון שטוח עם שינוי נוקשה וגמיש (hydrogel) hinges, החוקרים ליצור מערכות מיקרו-השפעה כי לקפל קוביות או פירמידות. ערוצים מודפסים על הפנים, וכאשר הסדין הוא שקוע במים, hing bend, המחבר את הערוצים לתוך רשת 3D. גישה זו מפחיתה באופן דרסטי את השלבים של הרכבה ידנית ומאפשרת ייצור המוני של שבבים מורכבים מעבודה מודפסת אחת.
עצמי: «Rolling Microtubes
טכניקה נוספת משתמשת בסרט דו-שכבר אשר מתגלגל לתוך צינור כאשר שוחרר מ substrate.השכבה הפנימית עשויה להכיל הידרוג כי swells, מה שגורם לסרט להתעלל.השחה המתקבלת יכולה לשמש מיקרו-ערוצית עם קוטרים קטנים כמו 50 מיקרומטרים. Arrays של צינורות כאלה ניתן להדפיס על מדחיפה אחת עבור זרימה מקבילה.
מיקרווולבס ומיקרופוס
באמצעות אפקט זיכרון צורה, ניתן לתכנן את הטון שטוח מודפס כדי להתכופף פנימה כאשר מחומם, מתנהג כמו שסתום סגור בדרך כלל. על ידי הטמעת תנור התנגדות, את השסתום ניתן לפתוח על הביקוש. בדומה, שינוי צורה שינויים בדאופגזם יכול לשאוב נוזלים. רכיבים דינמיים אלה לחסל את הצורך בשליטה pneumatic חיצונית.
מכשירים מיקרו-השפעה עצמית
ריפוי מיקרו-צריפים בכותל ערוצים
מיקרו-קר הם מצב כשל נפוץ שבבים מיקרו-השפעה, במיוחד אלה המשמשים chromatography בלחץ גבוה. פולימרים עצמיים-healing יכול לאטום את הסדקים האלה באופן אוטונומי.בדוגמה אחת, ערוץ מבוסס PDMS המכיל microcapsulesules של סוכן ריפוי סיליקון נבדק. לאחר סדק, הסוכן זורם החוצה ומדורג, לשחזר את הלחץ בתוך הפונקציונליות של שעות רבות לתפקוד.
אחסון מחדש של מוליכים חשמליים עבור חיישנים משולבים
עבור מכשירים מיקרו-השפעהיים עם אלקטרודות משולבות (למשל, לזיהוי), פולימרים התנהגותיים עצמיים יכולים לתקן מעגלים שבורים.חומרים Composite עם ננוwires כסף מפוזרים במריצה פולימר דינמי יכול להתחבר מחדש לאחר שריטות, שמירה על תפקוד חיישן.
המונחים: Clog Removal
Clogs עקב בניית חלקיקים ניתן לפתור על ידי חימום הערוץ מעל טמפרטורת המעבר של SMP, גרימת הקירות להרחיב ולבטל את החסימה. ברגע שהטריגר מוסר, הערוץ חוזר לצורה המקורית שלו.
יישומים ב Lab-on-Chip ו-Orice-on-Chip
המונחים: point-of-Care Diagnostics
שבבים בעלי ערך עצמי ניתן לשלוח שטוח ו מקופל באתר לשימוש באבחון מחלות כמו מלריה או COVID-19. תכונות של השמדה עצמית להבטיח כי השבבים נשארים פונקציונליים גם אם נשרו או לא מכווננים במהלך ההובלה.
מודלים של Organ-on-Chip
מכשירים של איברים-על-צ'יפ מחקים מיקרו-סביבה אנושית.דפסת 4D מאפשרת יצירת תאי תרבות דינמיים שיכולים להתכווץ ולהירגע, לפשט את שרירי הלב או לדלקת מעיים. חומרי השמדה עצמית יכולים לתקן נזק שנגרם על ידי גירוי מכני מתמשך, המשתרע על פני תקופת התרבות.
מערכות אספקת סמים
ניתן לשתול מכשירים מיקרו-השפעהיים של מיניסטרציה 4D, המופעלים על ידי טמפרטורת הגוף או pH כדי לשחרר סמים בדפוסי כפייתי.
פיקוח סביבתי
חיישנים מרוחקים שמדגימים מים או אוויר יכולים ליהנות ממיקרו-קלידיקים עצמיים כדי למנוע דליפה בתנאים קשים.ערוצי הערכה עצמית מאפשרים יצירת מכשירים קומפקטיים, פורסים, אשר מתרחבים כאשר הם שקועים.
אתגרים והגבלות נוכחיות
תאימות חומרית ועדכון הדפסה
חומרים חכמים רבים קשה לעבד עם ייצור תוספי ברזולוציה גבוהה. הידרוג'לס לעתים קרובות דורשים מבני תמיכה ויכולים לכווץ באופן חמור על ייבוש. SMP ריבינים עשויים להיות קשים. Balancing Printability, תגובה ועוצמה מכנית נשאר מוקד מחקר.
סקלאלה ועלויות
רוב טכניקות הדפסה 4D עדיין בקנה מידה מעבדה.הפחתת מאות צ'יפס לשעה דורש התקדמות במהירות הדפסה רב-חומרית ואמינות.העלות של פולימרים מיוחדים וננו-חלקיקים יכול להיות אסרטיבי עבור פריסה בקנה מידה גדול.
אחריות טריגר
הערכה עצמית ועצמית תלויה בתנאי גורם עקביים (זמן, pH) בסביבות בלתי מבוקרות, גורמים לא מכוונים עלולים לגרום לשינויים מוקדמים בעיצוב חומרים סלקטיים או רב-טריגר הוא אזור פעיל.
זמינות ביולוגית ויציבות ארוכת טווח
עבור יישומים רפואיים, חומרים חייבים להיות לא רעילים ויציבים במשך שבועות.כימאים רבים של עצמם כוללים זרזים או תוצר לוואי שעשויים להיות ציטוטוקינים. עייפות לטווח ארוך של אג"ח דינמי גם צריך הערכה.
פרספקטיבה עתידית
אינטגרציה עם למידת מכונה יכולה לייעל את הדפסה 4D עבור צורות הרצויות ונטיננטיקה מרפא. מדפסות רב-חומריות המסוגלות להפקיד עשרות חומרים יאפשרו מכשירים מורכבים עם חיישנים בנוי-in ומבצעים.שילוב של הדפסה 4D עם מיקרו-חומריים עלול להוביל ל"מעבדות חכמות" שבו השבבים מגדירים עצמם בהתבסס על תוצאות ניסיוניות כמו LT:0Harvards של מכון ו-VS:2Fs for tests:
גבול נוסף הוא השימוש של הדפסה 4D כדי ליצור מכשירים מיקרו-השפעהיים שניתן למחזר או להשפיל על שליטה. חומרים העוברים פולימריזציה הפוכה יכולים לאפשר ל-Chip להתאושש ולהעבד מחדש.זה תואם מטרות קיימות ב-conumables מעבדה.
לבסוף, פיתוח כלי סימולציה סטנדרטיים להדפסה 4D יפחית את המחסום עבור חוקרים חדשים.פלטפורמות כמו FLT:0COMSOL Multiphysicssof 1:1 יכול לעצב שינויים, אבל תוספים מיוחדים לייצור תוספים הם עדיין מתעוררים.
מסקנה
הדפסה 4D מעצבת מחדש מיקרו-השפעהידיקים על ידי הפעלת מכשירים כי עצמי להרכיב ממדינות שטוחות ו- self-heal לאחר נזק.יכולות אלה להפחית את המורכבות הייצור, להגדיל את העוצמה, ולפתוח יישומים חדשים באבחון, איברים-on-chip, וחישה מרחוק. בעוד אתגרים בחומרים, קנה מידה ואמינות, קצב החדשנות מרמז כי 4D-D-D-D-fluidicicic יהיה פעיל בתוך כלי ייצור מלא.