האבולוציה מ 3D עד 4D הדפסה בחומרי הנדסה

ייצור אדרטיבי התקדם הרבה מעבר לפסלה פשוטה של הדפסה 3D קונבנציונלית.הופעתה של ההרחבה:04D PrintFLT:1 מציג מימד רביעי - זמן - בעיקר על ידי הטמעת תגובה יעילה ישירות לתוך האובייקט המודפס - אובייקטים אלה יכולים לשנות צורה, קשיחות, נקבוביות, או תכונות פיזיות אחרות כאשר נחשפים לגירויים חיצוניים כגון חום, לחות, pH מוגדר, או חומרים כימיים מסוימים של חומצה חשמלית (Flastic) מתחומים מסוימים, או חומרים מזינים, או חומרים חשמליים, כגון:

בעוד שבתחילת ה- 4D-printing המחאות התמקדו במבנים דמויי-עצמים וברובוטיקה רופפת, הטכנולוגיה עושה כעת השפעה עמוקה על ה-FLT:0acoustic EngineeringFLT:1, ניהול סאונד בסביבות בעולם האמיתי דורש חומרים שיכולים להתמודד עם רמות רעש משתנות באופן פעיל, שינוי תדרים משתנים, ושינוי תנאי מרחביים.

מה הם חומרים אקוסטיים מותאמים?

חומרים אקוסטיים אדפטיים הם סוג של חומרים מהונדסיים שתכונותיהם האקוסיביות – חומר ספיגת קול, אובדן שידור, אימפולס והתנהגות של התחדשות – ניתן להתאים באופן דינמי לאחר ההיווצרות.בניגוד לחומרים אקוסטיים פסיביים (למשל, קצף, סיבים, שמפועסים המונית vinyl) המספקים תגובה אחת, סטטית, גרסאות הסתגלות יכולות להתאים לשינויים בתוכנות קריטיות ובמערכות אולמות פתוחים.

מערכות אקוסטיות מתקדמות מסתמכות לעתים קרובות על תכונות של FLT:0 חומרים metamaterialsFLT:1 - חומרים מלאכותיים בנוי עם תכונות אורכי משנה כדי להשיג תכונות שליטה קוליות יוצא דופן (כמו רתיעה שלילית או ליד קליטת אלטר) על ידי שילוב עיצוב מטא-חומרי עם הדפסה 4D, החוקרים יכולים ליצור חיתולים או מיקרו-ארכיטקטורה שמשנים את הביקוש שלהם על גאומטריה נמוכה, כך, לדוגמה, עם גודל פולימר, עם טמפרטורות גבוהות יותר, עם גודל גבוה, עם טמפרטורות פולימרורטיות, עם גודל נמוך.

דוגמאות להתנהגות אקוסטית אדפטיבית כוללות:

  • (ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ויקרא י"א: "בְּבְהַבְהַבְהַבְתָּבְהַה הוּא עַמֶּה אֱלֹהִים" (במדבר כ"ד)
  • (FLT:0) השתקפות אלקטרונית: ⁇ 1) משטח שמשנה את מרקם פני השטח (למשל, מחלק למפונק) כדי לשקף או לפזר טווחי תדר ספציפיים.

כיצד הדפסה 4D חומרים Acoustic הסתגלות

ייצור מסורתי של חומרים אקוסטיים חכמים הוא קשה כי התגובה דורשת מיקום מדויק של חומרים רגישים גירוי בתוך מבנה מורכב, לעתים קרובות רב-חומרי. הדפסה 4D להתגבר על זה על ידי כך המאפשר למהנדסים לתכנן את השינוי ישירות לתוך תהליך ההדפסה.

  1. (ב) בחירה:0 (Materialסלקטיבית: 1) בחר פולימר בסיסי או מורכב המציג תגובה הפוכה או בלתי הפיך לגימורים (למשל, טמפרטורה, לחות).
  2. (FLT:0) עיצוב של המנגנון העקרוני של גירוי: FLT:1 משלב הבדלים בצפיפות בין-קישור, הפצה מלאה, או שכבות מלוטשות כדי ליצור נפיחות או שיקום צורה.
  3. (FLT:0) הדפסה של ארכיטקטורה תלת-ממדית מדויקת: ⁇ 1 (ראה: ⁇ ) השתמש במדפסות מרובות-נוזל או עיבוד אור דיגיטלי כדי להפקיד חומרים חכמים שונים בדפוס של voxel-by-voxel.
  4. (FLT:0) שיפור רצף הטרנספורמציה: FLT:1 היסטוריית הגירויים (למשל, חימום מעל טמפרטורת מעבר הזכוכית) מגדיר את הצורה "מזכרת"; גירויים הבאים גורמים לשינוי.

עבור יישומים אקוסטיים, המבנה המודפס מורכב בדרך כלל של aFLT:0 metaחומרי תא התא CellhilFLT:1 - דפוס חוזר של עוקץ, חללים, או membranes - אשר ממדים ונוקשות ניתן לשנות. לדוגמה, קיבולת 4D מודפס של גלי פולימרים בצורת יכול להתחמם כאשר, צמצום גודל התא ולהגדיל את הדחיסות יעילה יותר, אשר יכול לספוג יותר גלי חום, כדי לספוג יותר.

Stimuli בשימוש ב 4D-Printed Acoustics

  • (FLT:0) Thermalib:FLT:1; Shape-memory פולימרים מופעלים על ידי חום (חום או שינויים טמפרטורהיים תגובתיים) הנפוץ ביותר, עם בגרות עיצוב גבוהה.
  • (ב) ⁇ :0)Moisture / Humidity:FreaLT:1) hydrogels כי בשפע בסביבות כבדות-המידה. שימושי בבניית אקוסטיקה שבה לחות יחסית משתנה.
  • (ב) ⁇ :0 (אור: ⁇ ) 1) phoresponsive פולימרים (למשל, azobenzene-based) שמשנים צורה תחת אור UV או אור גלוי.
  • (FLT:0) אלקטרו-ארכי: מגנטי: 1FLT:1 פולימרים עמוסים בממלאים או חלקיקים פרוטרומגנטיים; זרם חשמלי גורם חימום Joule או כוחות מגנטיים לגרום להחלפה.
  • (ב) ⁇ :0 (בלטינית:0) ⁇ (בלטינית: ⁇ ) ; ⁇ ) , (ב) , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

יתרונות של חומרים קוסמטיקה 4D-Printed Fitive Acoustic

בהשוואה לחומרים אקוסטיים קונבנציונליים ואפילו לא מודפסים, עיצובים מודפסים 4D מציעים כמה יתרונות נפרדים:

אחריות אישית בלתי צפויה

מכיוון שהתגובה האקוסית קשורה לגיאומטריה של מיקרו-או בינוני, הדפסה 4D מאפשרת למהנדסים לעצב ולייצר תאים יחידה עם כמעט כל טופולוגיה. כתוצאה מכך, החומר יכול להיות מכוון עבור להקה תדר מסוים (למשל, 500 הרץ עבור רעש כביש, 1000 הרץ עבור פרטיות דיבור) ולאחר מכן מתוכנת לשנות את הלהקה על הביקוש.

תגובה יעילה בזמן אמת

גירויים מסוימים (למשל, חימום חשמלי) יכולים לגרום לטרנספורמציה תוך שניות, המאפשרים התאמה כמעט בלתי שפויה לשנות מקורות רעש.בתא מטוסים, למשל, לוחות יכולים לנוקשות במהלך ההמראה כדי לדכא רום המנוע ולרכך במהלך השייט כדי לשפר את יכולת הדיבור.

תחזוקה מופחתת וארוכות

חומרים מכופרים עצמית מבטלים את הצורך בהחלפת ידני או במנהגים מכניים (אופנועים, משאבות) כי ללבוש בחוץ. כי השינוי הוא פנימי לחומר, למערכת יש פחות חלקים נעים והוא חזק יותר מטבעו. כמה חומרים מודפסים 4D גם להציג תכונות של עצמו-healing - סדקים או מיקרו-גיל יכול להיות "מחוספס" על ידי הפעלת צורה של תצורה מקורית לכוחות החומריים שלה.

חוסר יכולת

פולימרים חכמים רבים יכולים להיגזר ממקורות מתחדשים (למשל, הידרוג'לים המבוססים על צלולוז, בצורת חומצה פולילאקטית - תערובת אמפירית) יתר על כן, הדפסה 4D משתמשת בייצור תוספים, אשר מייצרת פחות פסולת מאשר שיטות תת-פרקטיביות (machining, moulding) חומרים הסתגלותיים יכול גם להפחית את השימוש החומרי הכולל כי הם לא צריכים להיות גדולים מדי כדי להתמודד עם מצבי רעש הגרועים - הם רק כאשר הם צריכים רק כאשר הם צריכים להגיב רק כאשר הם צריכים.

יישומים ברחבי הנדסה משמעת

אקוסטיקה

מבנים מודרניים דורשים סביבות אקוסטיות גמישות.חדר ישיבות המארח הן שיחות וידאו והן הופעות מוזיקליות זקוק לפרופילים שונים של קיר מודפס 4D, אשר מתאמת את הקליטת שלהם חסכונית בהתבסס על חיי דיקור או משוב ברמה הקולית יכול להפוך את החלל מ"חיים" ל"דה" ללא כל חלקי הנעה מכנית באופן דומה, משרדי Open-plan יכולים לפרוסת אריחים שתופסים את הדיבור בשעות שקטות אך הופכים ליותר רפיחים כדי למנוע מתקופות מתוחכמות.

הנדסה לרכב

רעש תא הרכב הוא גורם מרכזי בנוחות של נוסעים.מרכיבים פנימיים כגון כותרות, לוחות דלת, קוים צלולי גלגל יכול להיות 4D מודפס עם תכונות הסתגלות.לדוגמה, לוח דלת יכול להשתמש קצף צורה-זיכרון כי נוקשות במהירויות גבוהות (כדי להפחית רעש) ורכך כאשר idling (כדי לשפר איכות פנימית עבור שיחה).

הנדסה אווירית

רעש מטוסים משפיע הן על נוסעים והן על קהילות קרקעיות. חומרים אקוסטיים הסתגלותיים מציעים דרך להפחית רעש מבלי להוסיף משקל משמעותי.מנועי nacelle קושרים שמשנים את הדחף האקוסיבי שלהם בתגובה לטמפרטורה מסוימת (אשר משתנה עם הגובה) יכול לשמור על ספיגה אופטימלית רעש במהלך ההמראה, ההפלגה, ונחתה. מוטו המכיל 4D- ממולאות יכולות לעבור בין צלילי-מסלולארי וצלילים בדרגה של ג'מ"מסלולאריים חיצוניים: 0.

מכונות תעשייתיות ותשתיות

רצפות המפעל, תחנות כוח, אתרי בנייה לייצר רעש רגיש גבוה המשתנה בתדירות ו amplitude. 4D מודפס סביב דחוסים, משאבות, או גנרטורים יכולים להתאים את ספיגת הקול הפנימית שלהם כדי להתאים את מצב ההפעלה של המכונה. לדוגמה, פאנל המכיל מערך של 4D-rated Helmholtz resonators יכול לשנות את אורך הצוואר של כל עלייה כאשר הלחץ, 000 להפחתה של הפחתת טווח זה.

מוצרי אלקטרוניקה

רמקולים, מיקרופון וסיוע שמיעה דורשים שליטה אקוסטית מדויקת. מתחם קולד 4D יכול לשנות את נפח הפנים או נמל כוונו לפצות על פגזי סיוע שונים בחדר יכול להתאים את גודל האוורור שלהם כדי לנהל את אפקט ההשמדה באופן דינמי.

אתגרים ומגבלות

למרות ההבטחה, כמה מהמכשולים נותרו לפני שחומרים אקוסטיים בעלי הכשרה של 4D הופכים נפוצים בתעשייה:

  • (FLT:0) עייפות ומחזור חיים: FIRLT:1 ; פולימרים רבים בצורת-זיכרון מתפוגג לאחר שינויים חוזרים. Achieving אלפי מחזורים עם ביצועים אקוסטיים עקביים הוא תחום פעיל של מחקר.
  • (FLT:0) מהירות תגובה: 1FLT:1 חומרים מגובשים על ידי התרמומטר יכול לקחת שניות עד דקות כדי שינוי מלא, אשר עשוי להיות איטי מדי עבור אירועי רעש טראנס (למשל, צעקה פתאומית). Joule-התחממות עם חוטים מודפסים דקים יכול לקצר את זה כדי תת-שנית לוחות זמנים אבל מוסיף מורכבות.
  • (FLT:0)איכות הייצור: הדפסה 4D היא בדרך כלל איטי ויקרה יותר מאשר שיטות קונבנציונליות כמו הזרקת עובש או ליהוק קצף. Scaling מן לוחות בקנה מידה מעבדה (10 ס"מ) לבניית אריחים בקנה מידה (1 מ"2) דורש התקדמות הן במדפסת דרך חישוב וקצבי פיזור חומרים.
  • (FLT:0)Modeling andסימולציה: FLT:1, ההפיכה בין עיוות מכני וביצועים אקוסטיים היא לא ליניארית.מהנדסים זקוקים למודלים סופיים ופוליו-אלסטיים חזקים המשלבים תכונות חומרים תלויות זמן.
  • (FLT:0) אינטגרציה עם מערכות בקרה:FIRLT:1) עבור שליטה אדפטיבית סגורה (למשל, רעש רגיש והתאמה של החומר בזמן אמת), החומר המודפס חייב להיות משולב עם חיישנים, מעבדים, ופועלים.זה עשוי להגדיל את המורכבות של המערכת ועלות.

פרספקטיבה עתידית ודרכים מחקר

הצומת של הדפסה 4D והנדסת אקוסטי הוא שדה מחקר תוסס.מספר מגמות מצביעות על שינוי התפתחויות בעשור הבא:

תגובה רב-סנסולו

חומרים עתידיים עשויים להגיב לגירויים רבים באופן עצמאי, המאפשר תוכניות אקוסטיות מורכבות.לדוגמה, פאנל יכול לעבור בין שלוש מדינות אקוסטיות נפרדות (קליטה גבוהה, השתקפות גבוהה ושקוף) בהתאם לחות וטמפרטורה, עם כל גירוי לשלוט על קבוצה שונה של תאים יחידה.

נשמטת סנסינג ואינטליגנציה

שילוב חומרים אקוסטיים מודפסים 4D עם חיישנים מודפסים (למשל, מדצי זנים, מיקרופון) ומיקרו-בקר יכול ליצור מערכת אקוסטית אוטונומית לחלוטין.החומר היה חוש את הסביבה הקולית, ליישר את השינוי הנדרש, ולעורר את הגמישות - כל ללא התערבות חיצונית. לוחות "אדפטטיביים" כאלה הם הרחבה טבעית של בנייה חכמה ומושגים של IoT.

חומרים בעלי השראה ו Sustainable Materials

הטבע מציע דוגמאות רבות של מבנים אקוסטיים אדפטיים, כגון האוזן החיצונית של עטלפים או אוזן של צפרדעים. חוקרים מחקים עיצובים אלה באמצעות ביו-חומרים מודפסים 4D כמו מקרזים מצופים משי או פולימרים המבוססים על Mycelium.חומרים אלה הם בעלי יכולת ביולוגית מלאה וניתן להדפיסם בתנאים מסובכים, להפחית את צריכת האנרגיה.

אינטגרציה עם Metamaterial Design Automation

ההתקדמות באופטימיזציה טופולוגיה ולמידה של מכונה מאפשרת דור אוטומטי של תאים יחידה 4D-printable העונים על ספקטרום אופטי של ספקטרום אופטי של מהנדסים יכול קלט עקומת ספיגה עצמאית בתדר הרצוי, ואלגוריתם יציע גיאומטריה ולוח זמנים גירוי. לאחר הדפסה, החומר ניתן לבדוק ומדעוד בלולאות הרזה.

מסקנה

הדפסה 4D היא שינוי מהותי איך מהנדסים ניגשים לשליטה קולית.על ידי מעבר חומרים סטטיים, פסיביים כדי לתכנן מערכות הסתגלות, הטכנולוגיה מאפשרת רמה חדשה של פתרונות אקוסטיים שהם קלים יותר, יעילים יותר, ו תכליתיים יותר מכל דבר אפשרי עם ייצור קונבנציונלי.בעוד אתגרים עמידות, קשקשים, ומהירות, התקדמות מהירה בחומרים חכמים וייצור תוספת מבטיח להתגבר עליהם בתוך השנים הבאות, עבור מהנדסים עובדים בתחום הרכב, להפוך את היכולת האלקטרוניקה חיונית יותר, לפתח כלי רכב חיוני, לפתח יותר, כוח יעיל יותר, לפתח כלי רכב חיוני, לפתח יותר, כוח אלקטרוניקה, כוח יעיל יותר, כוח יעיל יותר, כוח יעיל יותר, ומהירות, ומהירות, ומהירות, יהיה יעיל יותר, כדי לפתח, לפתח, לפתח, לפתח, לפתח יותר, לפתח יותר, כוח יעיל יותר, כוח יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, כוח יעיל יותר, כוח יעיל יותר, כוח יעיל יותר, כוח יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, ייצור יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, ייצור יעיל יותר, ייצור יעיל יותר, כוח אלקטרוניקה יעיל יותר, כוח יעיל יותר, ייצור יעיל יותר, כוח אלקטרוניקה יעיל יותר, כוח יעיל יותר, כוח אלקטרוניקה יעיל

(FLT:0) לסקירה רחבה יותר של טכנולוגיות הדפסה 4D וחומרים של ההרחבה:1, הקוראים יכולים להתייעץ עם אזכורים הנדסיים מקיפים.פרטים חשובים על metamaterials אקוסטיים זמינים ב-FLT:2open LiteratureFLT 3: 3 ולהוסיף תובנה על מערכות יחסים מיקרו-אקו-אקציוניות המונעות שדה מתפתח זה.