הדפסה 4D מייצגת שינוי פרדיגמטי בייצור תוספים, הוספת מימד הזמן לגיאוגרפיה סטטית המיוצרת על ידי הדפסה 3D קונבנציונלית. על ידי הטמעת תגובות ניתנות לתוכנה לחומרים חכמים, אובייקטים יכולים להרכיב, הגדרה עצמית, דקומה, או אפילו self-repair כאשר נחשפים לגירויים סביבתיים ספציפיים. בתעשיית הבנייה, זה פותח את הדלת למרכיבים המתאימים לשמש, לחות, טמפרטורה או הדיירים - ואז יכול להיות מוקרן מחדש לתוך צורות חיים.

4D הדפסה: הממד הרביעי

הדפסה תלת-ממדית המסורתית יוצרת שכבת אובייקט קבועה על ידי שכבת הדפסה 4D הולכת קדימה: האובייקט המודפס נועד לשנות צורה, תפקוד, או צבע לאורך זמן בצורה מדויקת, שנקבע מראש. "המד הרביעי" הוא הטרנספורמציה תלויה הזמן מופעלת על ידי קלטות חיצוניות כגון חום, מים, אור או מגנטי.שינוי זה יכול להיות מיידי או הדרגתי, הפיכה או בלתי הפיך.

חומרים חכמים שיכולים להפוך

(ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

מכונאים ותומכים

  • (FLT:0) התגובה הירומית: FLT:1 Shape-memory פולימרים (למשל, SMPs מבוסס פוליאורטן) שינוי צורה בטמפרטורה מסוימת של זכוכית.
  • (FLT:0) אחריותו של היידר-פסיביות: אנדרל 1 (Hydro-responsiveness: ⁇ FLT:1) hydrogels ופולימרים טבעיים מסוימים (למשל, צלולוז, לignin) swell או לכווץ עם לחות, המאפשר תנועה מונחת לחות פסיבית.
  • (FLT:0) תמונות-response:FLT:1 חומרים רגישים לאור משלבים מולקולות azobenzene או photochromic שמשנות התאמה תחת אור UV או גלוי.
  • (ב) תגובה מגנטית וחשמלית: FLT:1) חלקיקים ferromagnetic או רשתות התנהגותיות מאפשרות לגרור מרחוק באמצעות שדות מגנטיים או זרם ישיר.
  • (ב) .0 (pH, מלח או גורמים ביוכימיים: ⁇ FLT) 1 פחות נפוץ בבנייה אך בשימוש במחקר על השפלה מבוקרת או על ידי הסתמכות עצמית.

הבדלים מרכזיים מ- 3D Printing

בעוד הדפסה תלת-ממדית מייצרת את ה-FLT:0 (FLT:1teau אובייקטים, הדפסה 4D מציגה את ה-FLT:2programmed MotionFLT 3: 3 סימולציה של האופן שבו החומר יתקפל, יונד, או מתרחב לאחר הדפסה, לעתים קרובות באמצעות ניתוח סופי-החליפאלי או מודלים קרימטיים מותאמים אישית.

בנייה מחדש של Components

רכיבים ניתנים להגדרה משנים את צורתם או את תכונותיהם בתגובה לפקודות משתמשים או לתנאים סביבתיים.בבניינים, זה מאפשר חזיתות דינמיות, מחיצות הסתגלות, מחיצות מרופדות ומערכות מבניות רצופות שמשפרות את יעילות האנרגיה, נוחות, ושימושי חלל.

Façades ו-Sur-Responsive Shading

ניתן לתכנן פאנל בעל 4D כדי להתגלגל או לסובב כאשר השמש מחמם אותה, מתן גילוח פסיבי ללא מנועים או חיישנים.לדוגמה, חוקרים ב-FLT:0MIT self-Assembly LabFLT:1 פיתח חומרים מודפסים להגיב לחות ⁇ s, מסולקים כמו acone. לוחות כאלה יכולים לפתוח כדי לאפשר ventation על בסיס התחממות בוקר חם, כי הם יכולים להיות מופעלים על בסיס אקלים חם.

מבנים עצמיים ומבנה עצום

אחת האפליקציות המרגשות ביותר היא מקלטים או גשרים. 4D מודפס ניתן להדפיס שטוח, ולאחר מכן מופעל על ידי חום או מים כדי לקפל לתוך קשת תלת מימדית או דום. זה מקטין באופן דרמטי את נפח התחבורה - חבילת שטוחה יכול להפוך למבנה נוקשה באתר.

חלוקת הפנים

קירות פנימיים ומחיצות שמשנות תצורה על דרישה יכולים להגדיר מחדש כיצד חללים משמשים. 4D לוחות עם ⁇ בצורת-זיכרון מוטבע או SMPs יכולים מורם מזחל שטוח לתוך קיר מתפצל מעוקל, או אפילו להתפתח לתוך שולחן או אזור ישיבה. כי החומר ניתן לתכנת מחדש על ידי רכיבה תרמית, אותה חלוקה יכולה לשרת פונקציות מרובות לאורך היום - מפלסמת שטח לעבודה משותפת ולא בישיבה פרטית.

אנרגיה אחראית - יסודות

שילוב של הדפסה 4D עם חומרים פוטו-וולטאיים או ⁇ אלקטריים מאפשר רכיבים כדי להקליד את עצמם לשמש או vibrate ברוח עבור לכידת אנרגיה. A 4D-rated סולרית יכול להתאים את זווית הטיה שלה פשוט על ידי נביעת תגובה לשינויים טמפרטורה, חיסול של פועלי אלקטרו-מכני. בעוד עדיין ניסיוני, גישה זו מבטיחה שילוב אנרגיה מתחדשת קל משקל, ללא תחזוקה לתוך העור.

המונחים: closed the material Loop

היכולת לשחזר רכיבים בנייה היא מרכזית למטרות משק מעגליות.ד.ד. משתמשת הדפסה 4D (FLT:0thermoplasticsFLT:1 ו-FLT:2 בלתי הפיטבוליים מחוברים לפולימרים 3D) שניתן לבסס ולהדפיס מספר פעמים ללא השפלה משמעותית.

סודיות חומרית וחידוש

פולימרים בצורת-זיכרון המבוססים על פוליאורתטן או PLA (חומצה פולילאקטית) הם מיחזור מלא.רכיב שכבר אינו משרת את מטרתו יכול להיות מרוסן, מומס, ו extruded לתוך חדש filament עבור הדפסה. Crucially, את "צורה מתוכננת" ניתן לשחזר במהלך תהליך remanufacturing על ידי reventing את החומר תחת יכולת הפעלה מחדש של 5Fremely, כלומר, באופן מלא של 5CR.

דוגמאות ל-Recyclable 4D-Printed Components

  • (FLT:0) מרבי-מחזור של עיצוב בטון: גרף 1 (D-printed פולימרים שניתן לפרק אותם על ידי גירוי תרמי ולאחר מכן ממוחזר לתוך משטחים חדשים עבור צורות קונקרטיות שונות.
  • (FLT:0) אריחי קיר מוזדרים:FLT:1 הדפסה מרכיבים מבוססי PLA המחודשים שמצלמים לתצורה שטוחה למשלוח, ואז להתרחב לתוך פאנל אקוסטי מרקם כאשר מחומם באתר.
  • (ב) ,0) , 000 מחסנים של בנייה: FLT ( 1:1 hydrogel-in-inrated Seals that swell to Close Gap כאשר לחות נוכח; לאחר פירוק, ניתן לעבד את הפולימרים לתוך כרטיסי גז חדשים.

מודל:Loop Lifecycle Model

דמיינו בניין שמעטפה שלו מורכבת מפאנלים מודפסים 4D בסוף חיי השירות שלהם, הם נאספים, מחוספסים, ומוטבעים מחדש לפאנלים חדשים עבור בניין אחר – עם תגובה חדשה המותאמת לאקלים החדש או לנטייה.זה מבטל פסולת הריסה ומפחית את הביקוש לחומרי בתולות.

יתרונות והטבות

  • (FLT:0) הסתגלות בלתי צפויה: החלפה 1:1) , חסידי יכול לשנות צורה על הביקוש, להגיב למזג אוויר, דיקור, או עומסים מבניים.זה מקטין את הצורך בחיישנים מורכבים ופועלים, כפי שהחומר עצמו עושה את העבודה.
  • (FLT:0) קיימות באמצעות יעילות חומרית:FearLT:1 כי רכיבים ניתן למחזר ולהדפיס מחדש, תעשיית הבנייה יכולה לנוע לעבר מודל כמעט אפס אפס-פסולה. â, â ¢ â, ¢ ¢ â ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ â ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ¢ ⁇ ⁇ ¢ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ¢ ¢ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0) חיסכון מצטבר על מחזור החיים של הבניין: ההרחבה הראשונה של רכיבי 4D מודפסת גבוהה יותר מאשר סטנדרטיים, אך חיסכון מגיע ממערכות מכניות מופחתות, פחות תחליפים, ועלויות נמוכות יותר של פסולת.
  • (FLT:0) חינוך עבודה וזמן ההרכבה: FIRLT:1) הערכה עצמית או רכיבים עצמיים מקטנים את המרקם על ייצור האתר והשימוש העגום. Flat-pack 4D אלמנטים ניתן להפעיל ללא קשר, להאיץ את הבנייה באופן דרסטי.
  • (FLT:0) נוחות ובריאות: חללים 1FirLT 1 אשר להסתגל אוטומטית לחות או חשיפה לשמש לשפר נוחות תרמית להפחית את הצמיחה עובש. חומרים הניתנים למחזור גם להימנע מדבקים רעילים וחותמים, שיפור איכות האוויר מקורה.

אתגרים וחזית מחקר

מגבלות חומריות: יכולת ושומן

חומרים בעלי ערך 4D הנוכחיים לעתים קרובות מידרדרים לאחר שינויים חוזרים על צורה.פולימרים בצורת-זיכרון עלולים לאבד עד 30% מכוח ההתאוששות שלהם לאחר מאה מחזורים.עבור רכיבי בנייה שצריכים לפעול באופן אמין במשך עשרות שנים, זה בלתי מתקבל על הדעת, חוקרים חוקרים חוקרים חוקרים חוקרים חוקרים לחקור את ה-FLT:0dual-phase Complexs FLT:1 ו-FLT:2crossed רשתות FLT 3 כדי לשפר את החיים המוקדמים, אך עדיין יכול להגדיל את העייפות.

סקלאלה ו הדפסה באמצעות חישוב

רוב מחקר ההדפסה 4D משתמש במדפסות קטנות (הכרכים ב-1 מ'3). Scaling כדי metre-long beams או לוחות חזית מלאה דורש מערכות extrusion ברמה תעשייתית, מיטות מחוממות יותר, ובקרת מדויקת של ⁇ טמפרטורה במהלך הדפסה.מעט מדפסות 4D מסחריות קיימות; רובן בנויות בהתאמה אישית.

שילוב עם מערכות בנייה קיימות

מרכיבים מודפסים 4D חייבים ממשק עם מערכות בנייה קונבנציונליות - חשמלאי, צנרת, HVAC, ומסגרות מבניות. Connectors המאפשרים פאנל משתנה צורה כדי לשמור על חותם מים צמיגים הם לא רצויים. התקנים עבור בטיחות אש, עמידות עומס רוח, וביצועים סיסמיים עדיין לא קיימים עבור חומרים פעילים.

בטיחות ויציבות ארוכת טווח

המנגנון המניע עצמו יכול להוות סיכונים: פאנל גמיש תרמי החשוף לאש עשוי לשנות באופן בלתי צפוי צורה, שעלול לסכן את התוקפנות או את השלמות המבנית. עיצובים שאינם בטוחים – למשל, נעילת הרכיב במצב הבטוח שלו לאחר טמפרטורה קריטית – נחקרים.מזג אוויר, השפלה של UV והתקפה ביולוגית משפיעים גם על אמינות ארוכת טווח.

קבוצות מחקר בלתי צפויות ופרויקטים

  • (FLT:0MIT Self-Assembly LabFIRLT:1) - הדפסה מבוססת לחות 4D ומפגינים מבנים מכפליים עצמי בקנה מידה ארכיטקטוני.
  • (FLT:0)Harvard Wysss InstituteFLT:1) - פיתוח הדפסה מבוססת הידרוגל עם הדפסה רב-חומרית ברזולוציה גבוהה עבור פועלים ורובוטים רכים.
  • (FLT:0) אוניברסיטת שטוטגרט (Institute for Computational Designcio)FLT:1 - חקר הדפסה בקנה מידה גדול 4D עבור בנייה המעטפות באמצעות פולימרים המבוססים על ביו-כי וטרירינג סולרי-טרמי.
  • (FLT:0Swis Federal Laboratories EMPAIRLT:1) - Investigates reclable thermoset וסגסוגת בצורת-זיכרון עבור עורי בניין הסתגלות.
  • (ב) [13] TU DelftveFLT:1 - מחקרים 4D-printed self-healing ציפויים קונקרטיים אשר מתרחבים כדי למלא סדקים כאשר לחות היא נוכחת.

כיוונים עתידיים ופוטנציאל

לקראת בנייה אוטונומית

החזון האולטימטיבי משלב הדפסה 4D עם חיישנים משובצים ואלגוריתמים שליטה כדי ליצור מבנים שתמיד מחדש ביצועים אופטימליים.דמיין קורת גג שעולה כדי ללכוד יותר רווח סולארי בחורף ודירות לספק גוון בקיץ - כל ללא מנועים או אקטוטורים, המונעת רק על ידי תגובות חומריות המיועדות לתחזיות מזג אוויר.

שילוב עם IoT ו- Machine Learning

על ידי הטמעת עקבות מוליכים או ⁇ אלקטריים במהלך תהליך ההדפסה 4D, רכיבים יכולים לדווח על מצב הצורה שלהם, מתח, או טמפרטורה למערכת ניהול בניין מרכזי. אלגוריתמי למידת מכונות יכולים לחזות תצורה אופטימלית בהתבסס על נתונים היסטוריים, התנהגות של הדיירים, ודרישות רשת זה גישה Cyber-פיסיקה יזרז את אימוץ של רכיבים מודפסים 4D במבנים חכמים וערים חכמות.

4D הדפסה לתשתית

מעבר לבניינים, גשרים וכבישים יכולים ליהנות ממרכיבים הניתנים להגדרה מחדש וניתן לשחזר אותם.קטע גשר מודפס 4D יכול להתרחב במהלך גלי חום כדי להתאים את ההתרחבות התרמית, צמצום הלחץ על מפרקים. סמן דרכים שניתן להעביר יכול לשנות צורה כדי לציין סיכונים או הפניה ללא צורך בהפניה.

זמן לזמינות מסחרית

אנליסטים בתעשייה חוזים כי רכיבי בניין 4D מסחריים הראשונים מודפסים - כמו גם מכשירים קידוד פסיבי או לוחות דקורטיביים - ייכנס לשוק בתוך 3-5 שנים. רכיבי מבניים (beams, עמודות) ייקחו זמן רב יותר, אולי 10-15 שנים, בשל דרישות בדיקת עומס קפדניות.הלחיצת מחזור כבר אפשרית היום עבור אלמנטים לא-מבנה של סחורות מבוזרות כמו תחנת ייצור בינונית או בינונית.

מסקנה

הדפסה 4D מציעה דרך רדיקלית אך מעשית כלפי מבנים שאינם רק בר קיימא יותר, אלא גם קשוב יותר לתושביהם ולסביבה שלהם.על ידי שילוב החופש הגיאומטרי של ייצור תוספת עם חומרים שמשנים לאורך זמן, אדריכלים ומהנדסים יכולים לעצב רכיבים להסתגל, להרכיב את עצמם, רק כאשר הם נועדו, ובסופו של דבר להיות מחדש בצורה חדשה.