תפקידה של הדפסה 4d בהנדסת העצמי וההעברה עצמית

הדפסה 4D מייצגת שינוי פרדיגמטי בייצור תוספים, הרחבת היכולות של הדפסה תלת-ממדית מסורתית על ידי הצגת הממד של זמן.חדשנות זו מאפשרת אובייקטים מודפסים לשנות באופן אוטונומי, תפקוד, או תכונות כאשר נחשפים לגירויים סביבתיים מוגדרים מראש.היישומים המשתנים ביותר של הדפסה 4D נמצאים בהנדסה: יצירת רכיבים מבניים שיכולים להתאים עצמם במהלך פריסה או פגיעה עצמית לאחר נזק.

4D הדפסה וחומרים חכמים

בליבה, הדפסה 4D משלבת את החופש הגיאומטרי של הדפסה תלת מימדית עם חומרים להגיב על גורמים חיצוניים - חימום, לחות, אור, pH או שדות מגנטיים. "המד הרביעי" הוא השינוי המתוכנן לאורך זמן.במהלך הדפסה, הארכיטקטורה הפנימית של החומר מיועדת לאחסן אנרגיה או מתח.כאשר מופעל, אנרגיה זו משוחררת, ואת המבנים לצורה חדשה זה מסתמך על חומרים חכמים: 0tims:

(ב) [15] ניתן לתקן חומרים אלה באופן זמני בצורת מפורמת ולחזור לצורתם המקורית על חימום.
(ב) [ה]היג'לינס"א: פולימרים ממים-מים שנפחים או מתכווץ בתגובה לחות, ל- pH או לטמפרטורה שלהם, שינוי נפח שלהם יכול להניע התכופים או להתכרבל במבנים מורכבים.
(ב) [15] ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
(ב) ⁇ :0 (ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

תהליך ההדפסה עצמו הוא קריטי. Voxel-by-voxel deposition מאפשר למהנדסים להטביע תכונות אנזוטרופיות - שיעורי התרחבות אחרים בכיוונים שונים - למשל, על ידי הדפסה של פשתן מים ברם לצד רצף נוקשה, דף שטוח יכול להיות מתוכנת כדי לקפל לתוך קוביה כאשר מסובכים.

מבנה עצמי: תכנות אוטונומי שינוי

מבנים שיוצרים את עצמם מבטלים את הצורך ברכב ידני או מכונות מורכבות על ידי רתום תגובות חומריות מתוכנתות. אלמנט שטוח או קומפקטי יכול להפוך באופן אוטונומי לגאומטריה הסופית, פונקציונלית כאשר נחשפים למריצים הנכונים.זה חשוב במיוחד ביישומים שבהם הגישה מוגבלת - מרחב, בתוך הגוף, או בתוך תשתיות חתומות.

מכניזם של עצמי

כמה מנגנונים פיזיים מניעים את עצמם:

(FLT:0) נפיחות או נפיחות מכווץ FIRLT:1; מבנה דו-שכבר עם שכבה פעילה אחת אשר מרחיבה (למשל, הידרוג) ושכבה פסיבית אחת שנשארה גורמים נוקשים במתח.
(FLT:0) אפקט זיכרון של זיכרון ה-FLT:1: צורה זמנית היא "הקפאה" על ידי קירור מתחת לטמפרטורת מעבר הזכוכית. Upon reheating, החומר חוזר לצורתו הקבועה, מה שגורם לקפל, להתכרבל או הרחבה.
(FLT:0) שחרור הלחץ הסובסידי (FLT:1): לחצים פנימיים שהוצגו במהלך הדפסה (למשל, על ידי תנודות טמפרטורה של תנודות) נעולים פנימה. a stimulus גורם לירידה בלחץ, מה שגורם לחלק לנוע.
(FLT:0) עקרונות ביומטיים: בהשראת תנועות צמחיות - כגון פתיחת אורנוסים או ריצוף של אפונה נוטה - מעצבים ⁇ s בעיצוב סיבים או ספיגה כדי לייצר תנועות מורכבות.

חומרים וטכניקות של

הדפסה רב-חומרית חיונית למבני ידע עצמי.אסטרטגיות נפוצות כוללות:

(ב) [15] ,0) ,[דרוש מקור] [ב] [ה] [ה] [ה] [ה]]] [ה]], [ה], [ה], [ה]]], [התחילה] [ב[[המאה ה-20]].
(ב) ⁇ :0) כתב Ink (DIW)veFLT:1 של דיובים גיבים, לעתים קרובות משלב ננופיבריז תאים או חלקיקים תרמיים.
(FLT:0) tereolithography (SLA)IRLT:1 של חזרות פוטו-קלי המכילות אג"ח או סוכני נפיחות.זה מאפשר תכונות לפתרון גבוה עבור מכשירים רפואיים.
(FLT:0)4D מודפס מורכב מ-FLT:1) שילוב סיבי פחמן או סיבים זכוכית עם SMP מזחלות, יצירת מבנים קלים אך חזקים ופרודוקטיביים.

חוקרים ב-FLT:0 חומרים טבעיים FLT:1 הוכיחו גישה הדפסה אשר מטביעה מסלולים מוליכים כדי לעורר שינוי צורה באמצעות חימום Joule, המאפשרת הפעלה לפי דרישה. אחרים משתמשים אור UV כדי לגרום לקרוסציה הפוכה, המאפשר מעברים חוזרים.

יישום הנדסה של עצמאים

מבנים שיוצרים את עצמם צפויים להפוך תעשיות רבות:

(FLT:0)AerospaceveFLT:1: אנטנה שניתן להזיזה, מערך סולארי, ומשקף שארז לתוך נפח קטן עבור שיגור והתגלות במסלול ללא מנועים או צירים.נאס"א וסוכנות החלל האירופית בחנו את הירכיים והבומים מבוססי SMP.
(FLT:0) BiomedicalveFLT:1: נטיות לגילוי עצמי, מערכות אספקת תרופות וכלים כירורגיים מניחים צורה תפקודית פעם בתוך הגוף. 4D- מודפס טרכיאלים המתרחבים עם שינויים בטמפרטורה להפחית את הצורך בהתערבות חוזרת.
(ב) [ה]: [ה] [ה] [ה]]: [הדברים] שעולים סביב חפצים כאשר הם מחוממים, או זוחלים רובוטים שנדפים את גופם כמו תולעים.
(FLT:0Architecture and ConstructionFLT:1: חזיתות הסתגלות שנפתחות או קרובות לוחות מעוותים המבוססים על עוצמת השמש, שיפור יעילות האנרגיה של חוקרים ב-MIT יש 3D מודפס "סביר" עץ וחוסנים כי להכות כאשר לחות משתנה, מתנהג כמו בקרת ventilation פסיבית.
(ב) ,0) מוצרים מנבאים (FLT:1): ריהוט עצמי, אריזה שמרחיבת פריטים שבריריים, ונעליים שמעצבים את צורת הרגל של הלובש.

תגית: self-Fold Box

הדגמה קלאסית ממחישה את הפוטנציאל: דף מודפס שטוח עם hings עשויים של פולימר זיכרון צורה.ה hings ממוכנת להיות nd ב 90 מעלות כאשר מחומם מעל 60 מעלות צלזיוס, מודפס עם bioתואמים SMP, מתקפל לתוך קופסה המכילה מטען (למשל, טבליה) כאשר שקוע במים חמים, הקופסאות סגורות הרעיון הזה כבר אבטיפוס על ידי LTF: 1.

המונחים: self-Healing Structural Components

רכיבים סטרטואליים חווים באופן בלתי נמנע מיקרו-צריפים, עייפות או נזק במהלך השירות.חומרים של השמה עצמית יכולים לתקן נזק כזה באופן אוטונומי, להחזיר כוח מכני ולמנוע כשל קטסטרופלי.ד הדפסה 4D מציעה פלטפורמה עוצמתית להטמעת פונקציונליות ריפוי עם דיוק מרחבי, המאפשר ארכיטקטורות מורכבות לא ניתן עם ייצור קונבנציונלי.

גישה ל- self-Healing in 4D Printed Structures

שלוש אסטרטגיות עיקריות משולבות ברכיבים מודפסים 4D:

(FLT:0Microcapsule מבוסס ריפוי גלגול 1: ; microcapsules המכיל סוכן ריפוי נוזלי (למשל, dicyclopentadiene) מוטבע בממטריקס.כאשר סדקים, הוא חיסל את הקפסולות, שחרור הסוכן לתוך המטוס. A מפוזר במריצות פולימיזציה, חותם על ידי אילינוי, דורש לשבור את החומרים המוקדמים של 6.8D.
(FLT:0) רשתות אנדרוביות (Vascular Networks) 1:1: בהשראת מערכות הדם הביולוגיות, המיקרו ערוצים מודפסים בכל הרכיב.ערוצים אלה נושאים סוכן ריפוי שניתן להעביר לאתרים פגומים על הביקוש.וישוש עצמי וחילוני חזק יותר מאשר כמוסות כי הוא תומך במחזורי ריפוי מרובים.
(FLT:0) רשתות פולימרים בלתי הפיותרפיות (FLT:1): כמה פולימרים מכילים אג"ח דינמיות קוהנדס (למשל, דילס-אלדר מוסיפים אגזים, אג"ח מטושטש) או אינטראקציות עליונות (איגרות חוב הידרוגניות, תיאום מתכת-טרנד) שיכולה רפורמה לאחר הפסקה, חימום או יישום אור מאפשר לקישורים שבורים ל-Recombine, לשחזר את השלמות של חומרים אלה.

מחקר שפורסם ב-FLT:0 (חומרים מתקדמים) 1FLT:1 שילב צורה של זיכרון פוליאורטן עם חיבור מימן הפיכה.לאחר נזק, הדגימה התאוששה 90% מכוחם הרב-קרקעי על חימום ל-80 מעלות צלזיוס למשך 10 דקות.אפקט הזיכרון בצורת סייע גם פערים הדוקים, מה שגורם לתהליך הריפוי.

שילוב של הדפסה עצמית עם הדפסה 4D

ההתכנסות של שינוי עצמי וכושר עצמי מציעה יתרונות ייחודיים.לדוגמה, פאנל אווירוקל בעל 4D שחוויות סדק יכול להשתמש תחילה בזיכרון צורה כדי לכווץ את הקצוות יחד, ולאחר מכן להפעיל כימיה ריפוי כדי לאטום את הפער.תהליך זה שני שלבים משפר באופן משמעותי את יעילות התיקון.

הדפסה של מבנים עצמיים מחייבת בחירה חומרית זהירה.טמפרטורת ההדפסה חייבת לא לזלזל בסוכני הריפוי או לשבור אגרות חוב בלתי הפיך מוקדם.

(ב) 1 (ב) 1 (ב) 1 ; 1 שבריר המכילה את המריצה והזרז, אחר המכיל את סוכן הריפוי בקפסולות או כשלב נפרד.
(ב) ⁇ :0) הדפסה של קואקסיאלי (FLT:1): "המשט הליבה של הממזר" מביא לידי ביטוי את הליבה של סוכן הריפוי המוקפת על ידי מעטפת תגובתית, המאפשרת מסלולי ריפוי רצופים.
(ב) הדפסה של ריפוי מיקרודרופיוראט (FLT) 1:1 על אתרים ספציפיים, בשילוב עם קרינת UV של ממטריקס.

יתרונות של תשתיות והנדסה

מרכיבים מבניים עצמיים מציעים יתרונות כלכליים ובטיחות משמעותיים:

(FLT:0 מחסניות ומבנים מפוארים 1FLT: קונקרט ומבנים פלדה יכולים לשלב 4D-printed self-healing שכבות כי חותם סדק לפני לחות וכלורידים גורמים קורוזיה.
(FLT:0)AerospaceveFLT:1: לוחות מטוסים ומבנים לווייניים שתקנו מיקרו-קracks הנגרמים על ידי רכיבה תרמית או השפעות מיקרומטרורואידיות, מונעים כשלון עייפות ללא התערבות קרקעית.
(ב) ⁇ :0) מנועים (AutomotiveFLT:1): מבולגרי גוף או לוחות גוף שמחלימים מאפסנים ומגנים קטנים כאשר מחוממים על ידי חום המנוע או שמש.
(ב) ⁇ :0) אלקטרוניקה: מעגלים גמישים וחיישנים שמשחזרים המשכיות חשמלית לאחר קרידוק, שיפור האמינות של המכשיר.

מחקר גבוה ב- Self-Healing 4D Printing

דוגמאות בולטות כוללות "מפרק חכם" שמשתנה את הנוקשות שלו על חימום ובו זמנית מרפא מחזורי ריפוי פנימיים.קבוצה אחרת הודפסה רשת כלי דם בתוך צורה של זיכרון epoxy; לאחר שבר, הסוכן הריפוי הושק באמצעות הרשת ורפא תחת אור UV, השגת יותר מ 80% התאוששות מחשב.

אתגרים ומגבלות

למרות התקדמות מהירה, מכשולים משמעותיים נשארים לפני 4D מודפס עצמי ורכיבים עצמיים הופכים למיינסטרים.

(FLT:0) אילוצים ממתיריים (FLT:1): רוב החומרים החכמים יש כוח מכני מוגבל, עמידות טמפרטורה או חיי עייפות. SMPs לעתים קרובות יש נוקשות נמוכה, בעוד הידרוג'ל יכול להתייבש או לאבד היענות.שלב חומרים מבניים בעלי ביצועים גבוהים (למשל, סיבים פחמן) עם פולימרים מגיבים נשאר קשה.
(FLT:0)ScalabilityigtFLT:1: הדפסה 4D הנוכחית מוגבלת לחלקים בקנה מידה קטן (מונים על כמה עשרות סנטימטרים) סקרלינג לרכיבים מבניים בגודל מטר מאתגר בשל גודל מיטה מודפס, זמני הדפסה ארוכים, ותגובה לא אחידה על פני אזורים גדולים.
(FLT:0) תנאי ייצור (FLT:1): גירויים רבים (למשל, טמפרטורות ספציפיות, אור UV, לחות גבוהה) אינם תמיד נוכחים בסביבה ההפעלה המיועדת. הפעלה חוזרת וניתן לחזור עליה בתנאי עולם אמת (למשל, בחלל, תת-ימי או בתוך בטון) היא בעיה פתוחה.
(FLT:0) יעילות ההשמדה וכדאיות חוזרת: מערכות השמדה עצמית לעיתים קרובות סובלות מיעילות מופחתת לאחר המחזור הראשון בשל מחיקת סוכני ריפוי או השפלה של אגרות חוב בלתי הפיכות.
(FLT:0) חומרים 4D חייבים לעמוד בלחצים של שינוי צורה ללא עייפות חוזרת על קיפל / לא כפול יכול להוביל לכישלון מכני ב hings. self-healing יכול להקטין את זה, אבל אינטראקציה בין עיוות מחזורי וריפוי קינטיקה הוא מובן רע.
(FLT:0) CostveFLT:1; חומרים חכמים ומדפסות רב-חומריים יקרים. עבור אימוץ נרחב, הפחתה בעלויות בחומרים ושיטות הדפסה מהירות יותר (למשל, עיבוד אור דיגיטלי מתמשך) הם חיוניים.

כיוונים עתידיים והשפעות

התחום עובר לעבר חומרים רב-תחומיים, רב-תפקודיים שיכולים לחוש, להסתגל ולרפא בסביבות מורכבות.

(FLT:0)4D הדפסה של תרכובות בטון ומלטות (FLT):1: שילוב גירויים-responsive תוספים (למשל, לעצב ⁇ זיכרון או פולימרים מורחבים) לתוך בטון מודפס כדי ליצור סלולים של עצמו-healing אלמנטים אדריכליים.
(ב) ⁇ :0) ,החומרה של חומרת ה- 1: יחידות מודולריות שיכולות לשנות את עצמן לצורות שונות על פי דרישה באמצעות מעשים מוטבעים וחיבורים בלתי הפיכים.זה יכול לחולל מהפכה בבנייה, ומאפשר קבוצה אחת של בלוקים מודפסים ליצור גשר, ואז בית.
(FLT:0) תשתיות אוטונומיות (FLT:1): שילוב של רכיבי הסימון העצמי המתוקנים עם רשתות חיישן ו-AI.המבנה יזהה נזק, יעורר ריפוי, ואפילו יחליט מתי להחליף את עצמו.
(FLT:0) אינטגרציה עם ייצור תוספת של מתכות bouph:1; בעוד שרוב הדפסה 4D מתמקד פולימרים, יש עניין גובר בסגסוגת זיכרון צורה (למשל, Nitinol) מודפס באמצעות אבקת היתוך.שלב מתכת ופולימרט 4D הדפסה במבנים היברידיים מציע תכונות משלימים.
(FLT:0) חומרים בעלי רגישות סביבתית ותגובה לסביבה: עבור שתלים רפואיים זמניים או אריזה אשר מתאספים לאחר השימוש. 4D הדפסה יכול לגרום להשפלה רק לאחר תקופה מוגדרת או בתנאים ביולוגיים ספציפיים.

סטנדרטים רגולטוריים והנחיות עיצוב הם עדיין מסננים.הסמכות של רכיבי 4D עבור יישומים קריטיים בטיחותיים (אווירcraft, שתלים רפואיים) ידרוש בדיקות נרחבות ומודל של התנהגות תלויה בזמן.עם זאת, כמו מחקר מתקדם, החזון של מבנים מרפאים את הסדקים שלהם, לווינים אשר מתפתחים ללא מנועים, והשתלות רפואיות שמתאימות לפיזיולוגיה של המטופל קרוב יותר למציאות.

הדפסה 4D היא יותר מאשר שיפור מצטבר - היא מגדירה מחדש את מה שאנחנו יכולים לייצר. על ידי הטמעת יעילות ושיקום עצמי לתוך החומר עצמו, היא מבטיחה ליצור מעמד חדש של מערכות מונדסות יותר, יעילות, ואינטליגנטיות. השילוב של יכולות בעלות עצמית ועצמית במרכיבים מבניים יהיה מרכזי בהשגת תשתיות ברות וגמישות לעתיד.