עתיד הדפסה 4d בפיתוח חומר הניתן לחיזוי

הדפסה 4D: הנדסה הדור הבא של חומר הניתן לעריכה

במשך עשרות שנים, ייצור התוסף היה נרדף עם הדפסה תלת-ממדית – תהליך בנייה של שכבת-על-ידי-שכבת-שכבות שמייצר אובייקטים סטטיים.הקפיצה הבאה מציגה מימד רביעי: זמן. 4D מטביע את היכולת של אובייקטים להשתנות, להרכיב עצמי או להסתגל לאחר ייצור.על ידי שילוב חומרים חכמים עם בדיוק מתוכנתים גיאוגרפיים, מהנדסים יכולים כעת ליצור רכיבים שמגיבים למניעים סביבתיים כגון חום, כגון, כגון לחות, או תאים מגנטיים, כמו גם שינויים קלים, או חומרים קלים, או חומרים קלים, אשר הם באמת, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, או חומרים חכמים יותר מאשר שינויים דרמטיים, כמו גם על פני מבנה חומרים מדויקים יותר, על פני השטח, על פני השטח, על ידי פיתוח, על ידי פיתוח, על ידי שינוי יעיל של 4D.

4D הדפסה ועניין אפשרי

הדפסה 4D מבוססת על הבסיס של הדפסה תלת-ממדית, אך מציגה מרכיב זמני.העיצוב של האובייקט כולל הדפסה פנימית של שינוי: לאחר ייצור, הוא יכול לקפל, להרחיב, לכווץ, לרכך או לרכך עם הזמן כאשר נחשפים לתנודות מסוימת.ממד "זמן" זה אינו רק על השפלה או הזדקנות, אלא גם על טרנספורמציה נבונה, צפויה.המונח היה פופולרי בשנת 2013 על ידי טירוף עצמי שהוגדר במעבדה ב-MIT.

חומר הניתן לתכנת הוא הרעיון הרחב יותר: חומר שניתן להורות לשנות את צורתו הגופנית או את הפונקציה.דפסת 4D היא אחת השיטות המבטיחות ביותר ליצירת חומר הניתן לתכנת, כי הוא מאפשר שליטה מדויקת על המקום, מתי, וכיצד שינויים מתרחשים.המפתח נמצא בחומר עצמו - חומרים חכמים שזוכרים את המדינה המקורית שלהם ויכולים לחזור למצב הזה לאחר עיוות, או לאמץ חדש לחלוטין כאשר הם מופעלים את היכולות הרפואיות, לשנות את עצמם, לשנות את המרכיבים.

חומרים וטכנולוגיות Powering 4D Printing

שם המחבר: Shape-Memory Polymers

פולימרים בצורת-זיכרון (SMPs) הם השיעור הנפוץ ביותר של חומרים חכמים להדפסה 4D. פולימרים אלה ניתן לפורז צורה זמנית ולאחר מכן לחזור לצורה המקורית שלהם כאשר נחשפים למריצים חיצוניים - לעתים קרובות חום.בניגוד סגסוגת של צבע-זיכרון, SMPs הם קלים, זולים וקלים יותר לעבד באמצעות הדפסה מבוססת הדרה - פיתח תצורה כפולה של תפקוד רפואי (כגון טמפרטורות חד-סגולות) עם טמפרטורות חד-סגולות (Speential-סגולות) או טמפרטורה אחת, כולל שימוש בטמפרטורות חד-סגולות).

חומרים הידרוג'ל ו Hygroscopic Materials

הידרוגלים הם פולימרים מים כי נפיחות כי נפיחות כי נפיחות זה swell בתגובה לחות. הם מועמדים טבעיים עבור הדפסה 4D כי התנהגות הנפיחות שלהם יכול להיות מתוכנת על ידי צפיפות חוצה קישורים שונה או על ידי שילוב של ממלאי אנזוטרופיים. כאשר מודפסים במבנים מרוב שכבות, רכיבים צמחיים מבוססי הידרוגל יכולים, טוויסט או שטוח כמו הם קולטים מים מן הסביבה.

Compositesive Composites ו- Multi-Material Printing

יישומים רבים של הדפסה 4D דורשים חומרים להגיב יותר מאשר אחד גירויים. חוקרים פיתחו תרכובות המשלבות פולימרים בצורת-זיכרון עם חלקיקים מגנטיים (לפעולה מרחוק) או עם צינורות פחמן (לשינוי מופעל מבחינה חשמלית) הדפסה רב-חומרית 3D, כגון multi-חומרי-חומרי-חומרי או עיבוד אור דיגיטלי (DLP) עם רדומים, מאפשר שילוב של חומרים תגובתיים בתוך מבנה ייחודי, המאפשר רק חומרים דחוסים במקום אחר, כגון:

חומרים מתעוררים אחרים כוללים אלטרמונים גבישיים נוזליים (LCEs) אשר משנים צורה תחת אור UV ותרכובות פוטוותרמית המראים אור לתוך חום, מעוררים זיכרון צורה.שדה עובר לעבר חומרים שיכולים להיות עצמי: מיקרו-capsules המכילים סוכני ריפוי מוטבעים בדפוס, שחרור כאשר מפצילים מפצילים.זה מתמזגים של הדפסה 4D עם יכולות self-healing עצמית עבור חיים מורחבים עבור רכיבים קשים.

מכניזם של טרנספורמציה: כיצד 4D הדפסה עובד

הדפסה 4D מוצלחת מסתמכת על שלושה אלמנטים משולבים: בחירה חומרית, עיצוב גיאומטרי, ואת גירוי ההדקה.חומר חייב להיות מתוכנת במהלך תהליך ההדפסה - או על ידי התאמה של רשתות מולקולריות לאורך הכיוון ההדפסה או על ידי שינוי מרחבי באופן מרחבי את צפיפות החצוצרה. לדוגמה, בגלימה מכווצת (FFF) של פולימרים בצורת-memorys, הפירוק יוצר כיוון פנימי, כאשר הוא הופך להיות מכווץ, כאשר הוא הופך להיות "מחדש" צורה," של שינוי.

עיצוב גיאומטרי ממלא תפקיד קריטי.אנליזה פיניט-יי (FEA) משמש כדי לחזות כיצד מבנה רב-חומרי יתקפל או ירחיב.הינדges, מחסנים, ואזורים פעילים ממוקמים אסטרטגית.בכמה עיצובים, החומר הפסיבי פועל כמסגרת מבנית בעוד החומר הפעיל מספק את כוח הנהיגה.

שליטה Stimulus היא העמוד השלישי.בעוד חום ומים נשארים את ההדקים הנפוצים ביותר, החוקרים חוקרים שדות מגנטיים, זרמים חשמליים, שינויים pH, ואפילו תגובות zymatic. עבור יישומים הנדסיים מעשיים, גורמים ללא מגע כגון אור או שינוי שדות מגנטיים מועדפים כי הם מאפשרים הפעלה מרחוק.

יישום הנדסי של 4D הדפסה תוכנית משנה

מבנה חלל ומרחב

תעשיית החלל עומדת להפיק תועלת עצומה מ- 4D הדפסה. Satellites וחללית לעתים קרובות דורשים רכיבים קומפקטיים במהלך ההשקה ופרוס במסלול 4D בוממות מודפסות, אנטנה ומערך סולארי ניתן לשלוח שטוח ולאחר מכן erect עצמי תחת גירויים תרמיים.זה מבטל את הצורך בשקעים מכניים מורכבים, מנועים, ומעיין, צמצום משקל ונקודות כישלונות של נאס"א כבר נבדקו 4D.

מכשירים רפואיים ו- Implants

חומרים מודפסים לא מתאימים 4D מאפשרים שיעור חדש של מכשירים רפואיים. Stents כי להרחיב כדי להתאים כלי דם כאשר טמפרטורת הגוף מפעילה אותם ניתן להעביר באופן מינימלי פולשני. pgical sutures כי באופן אוטומטי להדק לאורך זמן לפצעים קרובים נמצאים תחת פיתוח. Orthopedic שתלים המיוצרים מדלקת-memory יכול להיות מוכנס בצורת קומפקטי ולאחר מכן להרחיב כדי למלא פגמים עצם, קידום מערכות תרופות התחממות כגון כדי להפחית את היכולת לרפא תאים מקומיים.

תשתיות אזרחיות ומבנה עצמי

בבנייה, הדפסה 4D מבטיחה להפחית את העבודה באתר ואת הפסולת החומרית. החוקרים הוכיחו סלאבים בטון הערכה עצמית כי מתסוללים לתוך קשתות או domes כאשר נחשפים לחות. פרויקטים אחרים כרוכים rebar כי מרחיב ליצור חלקים מחזקים בדבורים, או טופס עבודה כי מתמוסס לאחר ריפוי קונקרטי. עבור הקלה אסון, מקלטי חירום יכול להיות מודפס מקומפקטי של 4D חומר זה יכול להיות מופעל על ידי אימון אווירי מתכת גדול, בעוד שעדיין מופעל על ידי פחמן דום פחמן דום פעיל.

Soft Robotics and Adaptive Structures

רובוטיות רכות מנצלות את האופי התואם והגמיש של חומרים מודפסים 4D. גריפרטים המתסוללים סביב חפצים ללא פגיעה בהם ניתן לעשות הידרוגלים או מעצבי צורה של אלסטומרס. Locomotion בחללים מוגבלים (למשל, בתוך צינורות או כלי דם אנושיים) ניתן להשיג עם 4D מודפס "תולעים" כי לא נפיחות דרך אדריכלות גמישה, מצעים אלה, לא צריך לשפר את יעילות המנועים או לרסן, או לשטוף את העורקים, כאשר הם פועלים חיצוני, או לשטוף את יעילותם, או לשטוף את מערכות אנרגיה חיצונית.

אתגרים וכיוונים מחקר נוכחיים

יכולת ייצור ושומן

בעוד שאובייקטים מודפסים 4D מפגינים שינויים מרשימים, האמינות ארוכת הטווח שלהם נותרה דאגה. Shape-memory פולימרים לאבד מתח פעולה לאחר מחזורים חוזרים על עצמם עקב פיסול שרשרת מולקולרית או רגיעה מתח. הידרוגליל עשוי להתפוגג לאחר מחזורים רבים של שרית רטובים. החוקרים מפתחים חומרים היברידיים - כגון רשתות פולימרים אינטרפנטרטסטנטיים - המשלבות את אפקט הצורה עם התנגדות משופרת.

אחריות ושליטה בטרנספורמציות

חיזוי בדיוק איך חלק מודפס 4D ישתנה צורה בתנאים בעולם האמיתי הוא לא טריוויאלי. וריאציות קטנות בהרכב חומרי, אוריינטציה הדפסה, או טמפרטורה מתפתחת יכול להוביל לסטיות גדולות מן הצורה המיועדת. כלים סימולציה רב-פיזיים מעודנים עד כמה גירוי תרמי, דיפוזיה ומודלים מכניים. אלגוריתמי למידת מכונה גם מאומנים על נתונים ניסיוניים כדי לנבא את האבולוציה.

סקלאלה וייצור באמצעותput

שיטות הדפסה 4D הנוכחיות איטיות ומוגבלות לאוהות קטנות.רוב ההפגנות כרוכות הדפסה של extrusion בכמה סנטימטרים לדקה, או DLP עם כרכים קטנים לבנות. כדי להגיע לרלוונטיות תעשייתית, החוקרים חוקרים חוקרים טכניקות הדפסה רצופות, כגון הדפסה מנדרינית רוטטת עבור מבנים צ'קוזי ו הדפסה של דליל עבור סחורות.

שילוב עם טכנולוגיות אחרות

מערכות מודפסות עתידיות יכילו לכלול אלקטרוניקה, חיישנים ואחסון אנרגיה.דפסת עקבות ישירות לתוך מבנים דמויי צורה-זיכרון יכול לאפשר הפעלה חשמלית. גנרטורים תלת-ממדיים משובצים ברכיבים מודפסים 4D יכולים לקצור אנרגיה מהפעולה עצמה.

הדרך Ahead: Programmable Matter

כמו הדפסה 4D נעה מאפרו-טיפוס ליישומים תעשייתיים, כמה מגמות מתעוררות.ראשון, יכולות הדפסה רב-חומריות הופכות להיות נגישות יותר, עם מדפסות מסחריות המציעות כעת רדומים כפולים ו-UV-curable res עם תכונות מוטבעות.שניות, סוללות עבודה דיגיטליות שמשלבות אופטימיזציה של טופולוגיה עם עיצוב 4D מייעלות את יצירת החלקים המורכבים שאינם מסוגלים לייצר באופן קונבנציונלי, קיימות, היא נהיגה בחומרים ביולוגיים-תרגול (חומרים) עם חומרים מתוחכמים, לאחר חומרים מטבוליים (חומרים מורכבים, המבוססים על ידי חומצה מטבוליזם (D) עם חומרים מטבוליים, לאחר שימוש גמישים המבוססים על ידי חומצה מטבוליזם (D) עם אופטימיזציה המבוססים על ידי חומצה מטבוליזם (D) עם אופטימיזציה המבוססים על ידי חומצה מורכבת).

כיוון מבטיח אחד הוא השילוב של הדפסה 4D עם מודלים בינה מלאכותית. AI מאומן על נתונים סימולציה יכול לחקור במהירות את החלל העיצוב עבור טרנספורמציה נתונה - לזהות את ההפצה החומרית הטובה ביותר וגורמים תנאים.זה מפחית באופן דרמטי את הניסוי-וטרור אשר מאט כיום את הפיתוח. רעיון אחר הוא "חיים" חומרים: 4D מודפס מנפחים על ידי חיידקים או פטריות אשר מעוררים שינויים נוספים, כגון מינרל או הגדרה עצמית, בעוד שעדיין ניתן להגדיר מחדש של מערכות היברידיות, בעודם, בעודם יכול להיות בעל מבנה היברידית.

החזון לטווח ארוך של חומר הניתן לתכנת חזה אובייקטים שיכולים לשנות את עצמם על הפקודה - כיסא שהופך לשולחן, צינור אשר מאמת את הקוטר שלו על בסיס קצב זרימה, כנף אשר משנה צורה במהלך שלבים שונים של טיסה. 4D הדפסה היא השיטה המעשית ביותר עדיין ליצירת חומרים כאלה.

מסקנה

הדפסה 4D מייצגת שינוי יסודי כיצד אנו חושבים על חומרים וייצור.על ידי הטמעת היכולת להשתנות לאורך זמן, מהנדסים יכולים ליצור רכיבים קלים יותר, תכליתיים יותר ויעילים יותר מאשר עמיתים סטטיים.חומרי הסינרגיה בין חומרים חכמים, עיצוב חישובי, ו הדפסה רב-חומרית כבר מייצרת פריצות דרך באקלים, תרופות, תשתיות, אתגרים רובוטיים, LT, דיוק, יכולת, ועלויות גבוהות, אך לא ניתן יהיה להתגבר על פני כדור הארץ הרביעי, אך ורק על ידי האבולוציה, על פני תקופה, על ידי האבולוציה של עולם, כלומר, היא כבר תקופה מדעית, היא הרחבה, היא הרחבה, היא גבוהה יותר, אשר מבוססת על ידי האבולוציה של עולם מדע בדיונית, היא כבר למעלה, היא גבוהה יותר, אשר מבוססת על ידי האבולוציה של עולם, היא גבוהה יותר, אשר מבוססת על ידי האבולוציה של המאה ה-ידי מהפכה, היא גבוהה יותר, היא גבוהה יותר, אשר מבוססת על פני כדור הארץ, היא כבר בנוית, אשר מבוססת על פני כדור הארץ, אשר אינה מאפשרת, אשר מבוססת על פני כדור הארץ, אשר מבוססת על פני כדור הארץ, אשר מבוססת על פני כדור הארץ, אשר אינה מאפשרת, אשר אינה מאפשרת, על פני כדור הארץ, אשר אינה מאפשרת, על ידי האבולוציה של מציאות מדעית, אשר מבוססת על פני כדור הארץ,