כיצד הדפסה 4D היא עמידה בפיתוח של אלקטרוניקה עצמית

4D הדפסה: הוספת זמן לציור

הדפסה תלת-ממדית מסורתית בונה שכבת אובייקטים סטטית על ידי שכבה ממודלים דיגיטליים, אבל הדפסה 4D מציגה מימד רביעי - זמן. אובייקטים המיוצרים באמצעות הדפסה 4D נועדו לשנות צורה, תפקוד או תכונות לאחר שהם מיוצרים כאשר מופעלים על ידי גירוי חיצוני כגון חום, לחות, אור או שדות מגנטיים.יכולת זו נובעת משימוש בחומרים חכמים - לעתים קרובות מעצבת פולימרים, הידרוג'ל, או ממות, אשר עוברים אלקטרוניקה, היא תוצאה של התפתחותית, חומרים אופטית, תרכובת, חומרים אופטית, תרכובת, תרכובת, היא בעלת פוטנציאל, תרכובת, תרכובת, תרכובת, תרכובת, תרכובת, תרכובת, תרכובת, היא מורכבת, כלומר, תרכובת, תרכובת, תרכובת, תרכובת, תרכובת, תרכובת, תרכובת, תרכובת, תרכובת, תרכובת, תרכובת, תרכובת, תרכובת, תרכובות, תרכובת, תרכובת, תרכובת, תרכובת, תרכובת, תרכובת, תרכובת, מורכבת, מורכבת, מודלים אופטית, מודלים אופטיקה, מורכבת, חומרים אלקטרוניים, היא תוצאה של תאים אופטיקה, מודלים אופטיקה אופטיקה אופטיקה, היא בעלת מבנה אופטית, היא תוצאה של תאים אופטית, תרכוב

הרעיון היה פופולרי לראשונה על ידי חוקרים במעבדה עצמית MIT, אשר הפגינו מבנים מאפיינים עצמיים להגיב למים.מאז, השדה התרחב במהירות, עם חומרים המסוגלים לפעול, לחישה, ואפילו להשכיח עצמי.דפסת 4D אינה רק צעד מצטבר מעבר 3D; היא מייצגת שינוי יסודי מאובייקטים פסיביים ועד מערכות אקטיביות, אשר יכולות להתאים את הסביבה שלהם.

המדע שמאחורי 4D הדפסת חומרים

בלב הדפסה 4D הוא הנדסה של חומרים שיכולים לאחסן אנרגיה גמישה או לעבור שינויים שלב הפיכה.חומרים חכמים הנפוצים ביותר בשימוש כוללים:

• (ב) .0;0; [החומרים]: [החומרים]: [החומרים]: [החומרים האלה] יכולים להימחק לצורה זמנית ואז לחזור לצורה קבועה כאשר נחשפים לתנודות ספציפיות, בדרך כלל חום.
• (FLT:0) Hydrogels:FLT:1, רשתות פולימרים מים-swollen להרחיב או החוזה בתגובה לחות, pH, או טמפרטורה. הידרוג'ל משמשים לעתים קרובות עבור מעשים רכים, ביו-תואמים במכשירים רפואיים.
• (ב) [ה]] [ה]]: [החומרים] של ה-[[1924]], [[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]
• (ב) ⁇ :0 מ"גנ" (Magnetic Complexs): ⁇ 1 (Primerd) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

כדי ליצור חלקים מודפסים 4D, מעצבים משתמשים במדפסות תלת-חומריות (לעתים קרובות מבוסס על פוליג'ט או פיזור מקובע) שיכול להפקיד חומרים חכמים שונים בדפוסים מדויקים.הגאומטריה ההדפסה, הרכב החומרי, ותנאי ההפעלה כולם מתוכנתים לייצר שינוי הרצוי לאורך זמן. לדוגמה, על ידי הדפסה שכבת הידרוג דקה של הידרוג בצד אחד של גיליון פולימר קשיח, לחות גורמת לגלול מוגדר לצורה מוגדרת מראש.

אלקטרוניקה עצמית: עקרונות והבטחה

אלקטרוניקה עצמית הערכה מתייחס למכשירים שמרכיביםיהם - מעגלים, חיישנים, אנאנטנות או מקורות כוח - לארגן באופן ספונטני לתצורה פונקציונלית ללא התכנסות ידנית. מושג זה מעורר השראה במערכות ביולוגיות כמו קיפול חלבון או ארגון עצמי סלולרי, שבו מבנים מורכבים מאבני בניין פשוטות דרך אינטראקציות מקומיות.באלקטרוניקה, הערכה עצמית יכולה להפחית באופן דרמטי את המורכבות של הייצור, עלויות נמוכות יותר, ומאפשרים להרכיב את עצמם במקומות קשים כמו גוף או חלל.

באופן מסורתי, אלקטרוניקה הרכבה מסתמכת על רובוטים או כלי רכב הנמכרים כדי לחבר רכיבים על לוחות מעגלים מודפסים (PCBs) כמכשירים הופכים קטנים יותר ויותר מורכבים, שיטות אלה להתמודד עם מגבלות דיוק, מהירות והיקף.עצמיות מציעה חלופה: רכיבים שעוצבו עם צורות משלימים, טיפולים על פני השטח, או כתמים מגנטיים המנחים אותם לעמדות נכונות.

כיצד הדפסה 4D מולטיטייט עצמי באלקטרוניקה

הדפסה 4D מספקת פלטפורמה רבת עוצמה עבור אלקטרוניקה עצמית על ידי מתן מבנים מתכננים לקפל באופן אוטונומי, רול או להיכנס לתוך טופס 3D האחרון שלהם. התהליך בדרך כלל כרוך שלושה שלבים: הדפסה, הפעלה ותפעול.

הדפסה של Flat Pre ⁇

מהנדסים מעצבים לראשונה פריסה 2D של רכיבים אלקטרוניים וחיבורים על תת-קרקעי גמישה.המצע עצמו מודפס באמצעות חומר חכם - לעתים קרובות פולימר בצורת-זיכרון או דו-שכבות מורכבות עם תכונות התרחבות שונות. עקבות מוליכים, שבבים, חיישנים, ותאים סוללה מודפסים ישירות באמצעות דיוולים התנהגותיים או בחירת-ו-חל על גיליון שטוח במהלך תהליך ההדפסה כולה.

« « « « « « « « « עריכת טריגר עצמית

ברגע שהמבנה השטוח הושלם, גירוי חיצוני (חום, לחות, אור או זרם חשמלי) גורם לחומר החכם לפעולת כפייה.הקפלים או bends להתרחש בקווים hinge מדויקים, הרמת ומסתובבים חלקים של תת-התחולל לתוך גליאומטריה שנקבע מראש 3D. לדוגמה, מעגל מודפס עשוי לקפל קוביה עם סוללה על פני אחד ומורכב אחר, תוך כדי ליצור קשרים משניים על גבי מבנה מסוים.

מחקר חדש של מכון הוויס של הרווארד הראה סלפי אלקטרונים מפוספסים, שבו גיליון שטוח של פולימר בצורת-זיכרון, מוטבע עם נוריות ומיקרו-בקר, מתקפל עצמו לתוך מתקן תאורה תלת-ממדי פונקציונלי כאשר מחומם.

קישוריות חשמלית במהלך הקפאה

אתגר מרכזי באלקטרוניקה עצמית הוא שמירה על חיבורים חשמליים אמינים כמו המבנה משתנה צורה.ד הדפסה 4D מטפל זה באמצעות בחירה חומרית זהה עיצוב hinge.חומרי hinge מוליכים - כגון nanowires נייר מתוח או ערוצים מלאים מתכת נוזלי - יכול להיות עטוף שוב ושוב ללא הפסקה. Alternatively, תהליך קיפל עצמו יכול להביא יחד מתקפלי מגע נפרדים, כך סגירת המעגלים של מעגל שלם של מהנדסי מתכת.

היתרונות של 4D-Printed Self-Assembling Electronics

הדפסה 4D עם הערכה עצמית מציעה מספר יתרונות שונים על ייצור אלקטרוניקה קונבנציונלי:

• (FLT:0) ,הייצור מורכב: FLT:1 מבטל את השלבים של הרכבה ידנית ואת הצורך במיקום רובוטי מדויק.המכשיר מאגד את עצמו, צמצום מספר הצעדים על ידי סדר גודל.
• יעילות:0 (FLT) 1 (FLT) עלויות ציוד הון נמוך כי שלב ההרכבה הוא אינטרינסיבי לחומר.זה מועיל במיוחד לייצור נמוך, תערובת גבוהה או למכשירים שאינם מעשיים להרכיב באופן קונבנציונלי.
• (FLT:0) פריסת רייד:FLT:1 ניתן לאחסן באופן קומפקטי מופעל על-פי דרישה.לדוגמה, אנטנה לווינית יכולה להיות מודפסת שטוחה, מאוחסנת בדירה במהלך ההשקה, ולאחר מכן נכה עצמי במסלול באמצעות חום מאור השמש.
• (FLT:0) עיצובים חדשניים: 1FLT:1 Enables Geometries כי הם בלתי אפשרי להרכיב באופן ידני, כגון מבנים 3D סגורים עם רכיבים פנימיים, או מכשירים גמישים מאוד, אשר מורמים לצורות קשיחות רק כאשר צריך.
• אמינות מוכחת:0 (FLT:1assembly) יכול להפחית את השגיאה האנושית ולמכור כשלים משותפים.הפעולה המתקפלת ניתן לשלוט בדיוק, והשימוש בחומרים תואמים יכול לספוג מתח מכני.
• (FLT:0) ,Adaptancy: 1FLT 1-4D-printed אלקטרוניקה ניתן לתכנן שינוי תפקוד לאורך זמן.לדוגמה, שתל רפואי עלול לשקר שטוח במהלך ההחדרה, ואז לקפל לתוך צורה בולטת ולהתחיל לעקוב אחר סימנים חיוניים שפעם מופעל על ידי חום גוף.

יישומים בטכנולוגיה לובשת

אלקטרוניקה ללבוש דורשת מכשירים התואמים לגוף, לשרוד התכווצויות חוזרות ונשנות, ויכול להיות קטן עדיין פונקציונלי. 4D-printed self-assembling גישות לאפשר לבישים להתחיל ככתם שטוח שמאוחר יותר עוטף סביב איבר או יוצר מבנה תלת-ממדי המארח חיישנים ומודולים אלחוטיים. חוקרים ב-ETH ציריך פיתחו פרק כף יד מודפסת 4D, אשר כאשר טמפרטורת הגוף, מתעמעם בתוך עיגול לתוך משטח מאובטח סביב משתמש נוח, והוא יכול למזג אוויר, והוא משדר את הדופק.

מכשירים רפואיים ו- Implants

אלקטרוניקה עצמית הערכה עצמית מבטיח במיוחד עבור תרופות פולשניות מינימליות. המנתחים יכולים להזריק או לבלוע חבילה שטוחה של אלקטרוניקה כי מאוחר יותר מתפתח לתוך מכשיר אבחון או טיפולי בתוך הגוף.לדוגמה, צוות באוניברסיטת טקסס הראה קפסולה מודפס 4D כי לאחר ingestion, מתפתח לתוך מבנה בצורת Y עם אלקטרודות כי ציפוי בטן מופעל על ידי קטן ואווירה עצמית לא יעילה עם מקור אנרגיה אלחוטית.

יישום מתפתח נוסף הוא ממשקים עצביים. החוקרים חוקרים חוקרים בוחנים גלידות מודפסות 4D המסולקות לתוך בדיקות ספירליות סביב חבילות עצבים, המספקות גירוי חשמלי וזיהוי אותות עצביים.העצמים מפחיתים טראומה כירורגית כי החקירה מוכנסת שטוחה ולאחר מכן עוטפת בבטחה סביב העצב.

חלל וסביבה קיצונית

בחיפוש בחלל, כל דקדוק וסנטימטר מעוקב ספירות. 4D-printing אלקטרוניקה ניתן ארוז שטוח על חללית ומוכנס על ההגעה באמצעות חום סולארי או קרינה. נאס"א מממנת פרויקטים לפתח אנטנה עצמית ופאנלים סולאריים באמצעות הדפסה 4D. תיקון מודפס שטוח יכול להתפתח אנטנה פרבולית גדולה או מערך מעקב שמש יקר, צמצום משמעותי של נפח ההשקה העצמי כדי להרכיב יתרון עצמי של אפס הוא אפס כוח הכבידה גדול על ידי אפס הוא סיכון גדול.

בדומה, עבור פריסות עמוקות או הקוטביות, ניתן לאחסן מכשירים עצמיים בצורה קומפקטית ולאחר מכן מופעל כאשר נחשפים לטמפרטורת מים או ללחץ.זה מאפשר חיישנים ונקודות תקשורת להיות פרוסות ללא מתקנים רובוטיים מורכבים.

אתגרים ומגבלות

למרות ההבטחה, 4D מודפס על אלקטרוניקה עצמית מול כמה מכשולים לפני אימוץ נרחב:

• (FLT:0) אמינות ממתירית: חומרים חכמים 1FLT:1 יכולים לגרוע לאחר מחזורי הפעלה חוזרים. Shape-memory פולימרים עשויים עייפות, וירכיים התנהגותיות יכולות לפצח לאחר הרבה קפיצות.שיפור חיי מחזור ועוצמה מכנית הוא אזור מחקר פעיל.
• (FLT:0) עדיפות של הערכה עצמית: ⁇ FLT:1 ; השגת עמדות והיערכות סופיות מדויקות היא קשה. שגיאות קטנות בזווית מתקפלות יכולות ליצור קשרים לא הוגנים או לעוות את המעגל.
• (FLT:0) אינטגרציה עם אלקטרוניקה קונבנציונלית:FreaLT:1 סיליקון צ'יפס הנוכחי ורכיבים על פני השטח הם קשיחים ועשויים לא לשרוד את תהליך התקפלות. החוקרים מפתחים שבבים גמישים או הצבת רכיבים רק באזורים שאינם כפולים, אבל זה מגביל מורכבות עיצובית.
• (FLT:0)איכות הייצור: FLT:1hil בעוד הדפסת מבשרי שטוח הוא קנה מידה, תהליך הדפסה רב-חומרי הוא איטי ויקר יותר מאשר ייצור PCB קונבנציונלי.התקדמות במהירות גבוהה הדפסה 4D ועיבוד רול-to-roll נדרשים.
• (FLT:0) גורמים עצביים: לדוגמה, הפעלת חום בשתלים רפואיים עלולה להזיק לרקמות הסובבות.

תחזית עתיד

ההתכנסות של 4D הדפסה ואלקטרוניקה עצמית עדיין בשלבים המוקדמים שלה, אבל ההתקדמות היא מאיצה. קבוצות מחקר ברחבי העולם מפתחים חומרים חדשים עם זמני תגובה מהירים יותר, כוחות הפעלה גבוהים יותר, ו מוליכות חשמלית טובה יותר. Machine Learning משמש כדי לייעל דפוסים וחלוקות חומריות, המאפשרות התנהגויות מורכבות יותר של הערכה עצמית.

בטווח הקרוב (3-5 שנים), אנו יכולים לצפות לאימוץ מסחרי באפליקציות נישות כגון אנאנטנות פורסות, נטיות רפואיות עם חיישנים משולבים, ומחברים עצמיים מצורפים. בטווח הארוך יותר, אלקטרוניקה מודפסת 4D יכול לאפשר באמת לייעל מכשירים שמשנים צורה כדי להתאים משימות שונות - טלפון חכם שמתקפל עצמו לתוך פרק כף יד, או מזל"ט שזורם לתוך כדור עבור טיסות ואז לקרוס לטיסה.

(ב) חוקרים במוסדות כגון: (FLT:0) ,MIT Self-Assembly LabFLT:1,FLT:2Harvard's Institute of Vis Institute ofLT 3, and the FLT:4 Planck for Intelligent SystemsFLT:5 ממשיכים לדחוף את הגבולות.

מסקנה

הדפסה 4D היא לא רק אבולוציה של ייצור תוספים; זה שינוי פרדיגמטי כי מטבול חפצים מודפסים עם היכולת להשתנות עם הזמן. כאשר מיושם על אלקטרוניקה, טכנולוגיה זו מאפשרת מכשירים הערכה עצמית שיכולה לעבור מפרסום שטוח, קל ל-Manufactures לתוך מערכות פונקציונליות מורכבות 3D.

אתגרים בחומרים, דיוק ואינטגרציה נשארים, אך המחקר המתמשך גובר עליהם בהתמדה.בעוד חומרים חכמים משפרים ותהליכי הדפסה 4D בוגרים, אלקטרוניקה עצמית הערכה עצמית יעברו ממחסור מעבדה למוצרים מעשיים, פורריסה.התוצאה תהיה דור חדש של מכשירים אלקטרוניים כי להרכיב את עצמם, להסתגל לסביבה שלהם, ולהציע יכולות מעבר להישג ידם של ייצור קונבנציונלי.