4D baskı, temel üretimde bir paradigma değişikliği temsil eder, geleneksel 3D baskı yeteneklerini zaman boyutunu tanıtarak genişletir.Bu inovasyon, manuel kurul, daha düşük bakım maliyetlerine ve kritik altyapı, havacılık sistemlerinin yaşam süresini genişletir.En dönüştürücü uygulamalar mühendislikte 4D baskı yalan söylüyor: dağıtım veya kendini ifade eden yapısal bileşenler, hidrojektif sistemler ve sıvı kristaller, bir kez dahaki sefere incelenen bu akıllı yapılar, daha düşük bakım maliyetlerini azaltıp, kritik altyapının yaşam süresini genişletir.

4D Printing ve Akıllı Malzeme Anlayışı

Onun özünde, 4D baskı, dışsal tetikleyicilere cevap veren malzemelerle 3D baskının geometrik özgürlüğünü birleştirir - ısı, nem, ışık, pH veya manyetik alanlardan yararlanır. "Dört Boyut", baskı sırasında, malzeme iç mimarlık genellikle akıllı malzemelere yöneliktir.

  • [FONT:0)Shape Memory Polimerleri (SMPs))[değiştir | kaynağı değiştirilebilen ve orijinal şekline ısıtmak için geri dönebilmeleri için.
  • [FONT:0]Hydrogels[[DÜT:1): Su-absorbing polimerler nem, pH veya sıcaklık yanıt olarak küçültülebilir. hacim değişikliği kompozit yapılarda bükme veya kıvrım sürebilir.
  • [FONT:0)Liquid Crystal Elastomerler (LCEs)[Dönemli: Isı veya ışık maruz kaldığı zaman geri dönüşümlü şekil değişiklikleri geçiren malzemeler, karmaşık hareketlerin değerlendirilmesi.
  • [FONT:0]Biocomposites[[DÜT:1): Mimik bitki hareketlerinin (örneğin, çam örtüsü açma) olan doğal fiberlerin ve duyarlı reçinelerin temsilcileri.

Baskı sürecinin kendisi kritik. Voxel-by-voxel deposition, mühendislere farklı yönlerde örnekleme izin verir - Harvard'da tek bir nesneye göre; bir su-swellable filamenti, pasif bir filamentin yanı sıra, altta ortaya çıkan değişikliklerle kapıyı açma yeteneği programlanabilir.

Kendi biçimler: Özerk Şekil Değişimi

Kendi bilgi yapıları, programlanmış materyal yanıtlarını kullanarak manuel montaj veya karmaşık makineler için ihtiyaç ortadan kaldırır. yazdırılmış bir düz veya kompakt bir element, doğru stile maruz kaldığı zaman son, işlevsel geometrisine otonom olarak dönüştürebilir.Bu özellikle de erişimin sınırlı olduğu uygulamalarda değerlidir - vücut içinde veya mühürlenmiş altyapı içinde.

Kendi kendini ifade edenlerin

Birkaç fiziksel mekanizma kendini bilgilendirir:

  • [FONT:0)Differential şişme veya küçülme[Dönetici: A Bikatli yapı genişleten aktif bir tabaka ile (örneğin, hidrogel) ve sert sebepleri olan bir pasif tabaka, kalınlık ve sertlik oranlarına bağlıdır.
  • [FONT:0]Shape bellek etkisi[[[Dönemli: 1 ): Bir geçici form cam geçiş sıcaklığının altında soğutmak için "frozen"dir. Upon tekrar ısıtma, malzeme kalıcı şekline geri döner, katlanmaya veya genişlemeye neden olur.
  • [FONT:0)Residual stres salıverme[Dönemli stres serbest bırakılması[Dönem: 1): İç stresler baskı sırasında tanıtıldı (örneğin, sıcaklık gradients) kilitlendi.
  • [FONT:0)Biomimetic ilkeleri[[Dönetici: 1) Bitki hareketleri tarafından ilham verilen veya pea eğilimlinin açılması gibi - fiber yönelim veya nefsiyonun fiber yönlendirmesi veya karmaşık hareketlerin üretilmesi.

Malzemeler ve Fabrication Teknikleri

Multi-mal baskı, kendi bilgi yapıları için gereklidir. Ortak stratejiler şunları içerir:

  • [FONT=0)F used Deposition Modeling (FDM)) iki veya daha fazla filament ile - aktif (örneğin, SMP), bir pasif – alternatif tabakalarda veya gradyanlarda ayarlanmış.
  • [FONT=0)Direct Ink Writing (DIW), genellikle hücreli nanofibriller veya termal sorumlu parçacıklar dahil.
  • [FONT:0]Stereolithography (SLA)), geri dönüşümlü bağlar veya şişme ajanlar içeren fotoreatif reçineler. Bu, tıbbi cihazlar için yüksek çözünürlüklü özellikler sağlar.
  • [FONT:0]4D-printed kompozitler [D-printed kompozitler[DD-printed Composites[[DD-printed Composites[[DD-printed Composites[DDD-printed Composites[DD-printed Composites[[D-printed lar) Karbon fiber veya cam elyafı SMP matriks ile birleştirir, hafif henüz güçlü dağıtılabilir yapılar yaratır.

Araştırmacılar, talep edilen hareket değerlendirmesi sayesinde, tekrarlanan şekli değiştirme geçişlerine izin veren bir baskı yaklaşımı göstermiştir.

Mühendislik Kendi kendini ifade eden bileşenleri

Kendi bilgilendirme yapıları birden fazla endüstri dönüştürmek için hazırlanmaktadır:

  • [FONT:0]Aerospace: İşlenebilir antenler, güneş dizileri ve yörüngede motorlar veya menajer olmadan küçük bir hacime paket verenler. NASA ve Avrupa Uzay Ajansı SMP tabanlı menajerler ve patlamalar test etti.
  • [FONT:0]Biomedical[DDD-printed tracheal stents, uyuşturucu teslim sistemleri ve vücut içinde bir kez işlevsel bir şekli varsayan cerrahi araçlar. 4D-printed tracheal stents that expand with temperature changes reduce the need for again-expanding stents, ilaç teslimat sistemleri, and cerrahi tools that admit a functional shape once inside the body. 4D-printed tracheal stents that expand the need for again-printed intervals.
  • [FONT:0)Soft robotikler [DÜDÜT:1]: Sertleştirilmiş veya inç solucanları gibi vücutlarını yönlendiren aletler etrafındaki yaralar onları hassas manipülasyon için daha güvenli hale getirir.
  • [FONT:0]Architecture ve inşaat[Dönetici: Güneşli yoğunlukta açık veya yakın louvered paneller, enerji verimliliğini artırmak, MIT'deki araştırmacılar, nem değişiklikleri yaparken 3D baskılı “programlar” timber veneersler, pasif havalandırma kontrolleri olarak hareket ederler.
  • [[Düzücü ürünler[Dönetici:0)[Dönetici:)))))[i:)))))))))))))))))))))))))))))))

Vaka Çalışması: Self-Folding Box

Klasik bir gösteri potansiyeli gösteriyor: bir baskılı kağıt, ısıtılmış bir kutuya yapıştırılır.Bu konsept 60 °C'nin üzerinde ısıtıldığında 90°'ye kadar uzanır.(F)Science Robotics) uyuşturucu teslimi için bir kutu ile yazdırılır.

Kendi kendini kınayan yapısal bileşenleri

Yapısal bileşenler kaçınılmaz olarak hizmet sırasında mikrokök, yorgunluk veya etki hasarı deneyimleyebilir. Kendi kendine özgü malzemeler bu tür hasarları bağımsız olarak tamir edebilir, mekanik gücü geri yükleme ve felaket başarısızlığı önlemeyi engelleyebilir. 4D baskı, uzaysal hassasiyetle iyileşmek için güçlü bir platform sunar, kompleks mimariler geleneksel üretimle mümkün değildir.

4D Baslı Yapılarda Kendi Kendine Yaklaşımlar

4D basılı bileşenlere üç temel strateji entegre edilmiştir:

  • [FONT:0)Mikrocapsule temelli şifa[DÜT:1): Bir sıvı şifa ajanı içeren ayrı mikrokaplar (örneğin, Illinois Üniversitesi'ndeki araştırmacılar 3D baskılı termosetlerde bu şekilde yer almaktadırlar; 4D materyallere uzatıldığında, prerupturesasyon işlemine erkenden çıkan kapsüller gerekir.
  • [[Düzücü ağlar [Dönetici: 0,4|): Biyolojik dolaşım sistemleri tarafından ilham verilen, mikro kanallar, bileşen boyunca basılır.Bu kanallar, zararlı siteler için hasar görmüş olan şifacı bir ajan taşır. Vascular kendi kendine hasleme, çünkü çok fazla şifa döngüsü destekler.
  • [FONT=0]Reversible polimer ağları[[Dönetici: Bazı polimerler dinamik kovalent bağlar içerir (örneğin, Diels-Alderducts, disulfide tahvilleri) veya supramolecular etkileşimleri (hidrojen bağlar, metal-ligand koordinasyon) kırıklık meydana geldiğinde, ısıtma veya ışık uygulama kırık bağlar yeniden paklığa geri yüklemeye izin verir.

Gelişmiş malzemeler[Dönetici:0) tarafından yayınlanan bir çalışma, geri dönüşümlü hidrojen bağlantısını yeniden etkinleştirerek bir form hafıza poliurethanesi birleştirmiştir. Hasardan sonra, örnek, orijinal çekme gücünün% 90'ını 10 dakika boyunca 80 °C'ye kadar geri kazanmıştır.

4D Printing ile Kendi kendini kınayan

Kendi kendini kınayan ve şekli değişikliğin yakınlığı, benzersiz avantajlar sunar. Örneğin, bir çatlak deneyimi olan 4D baskılı havacılık paneli, çatlakları bir araya getirmek için ilk olarak şekli hafızayı kullanabilir, sonra kimyayı boşlukları mühürlemek için etkinleştirin.Bu iki adımlı süreç önemli ölçüde onarım verimliliğini artırabilir.

Baskı kendi kendine özgü yapılar dikkatli malzeme seçimi gerektirir. baskı sıcaklığı iyileşme ajanlarını bozmamalı veya erken gelen tahvilleri kırmalıdır. Ortak yaklaşımlar şunları içerir:

  • [[Dualder baskı[DDDDualder|[DDDDDDDDDDDD): Bir filament, kapsüllerde veya ayrı bir fazda şifa ajanı içeren bir başka.
  • [FONT:0)Co aksiyel baskı[[Döntgen: Bir temel-şekkül nozul yatakları reaktif bir kabukla çevrili bir şifa aracı çekirdeği, sürekli şifa yolları etkinleştirin.
  • [0]Inkjet, üreme mikro damlacıklarının baskısını baskıladı[Dönler: 1 ) Belirli sitelere ait, UV eğriliği ile bir araya geldi.

Altyapı ve Mühendislik Faydaları

Kendi kendine özgü yapısal bileşenler önemli ekonomik ve güvenlik avantajları sunar:

  • [FONT:0]Bridges ve binalar): Beton ve çelik yapılar, nem ve klorürlerden önce çatlakları mühürleyen 4D baskılı kendi kendini baskı katmanları da dahil edebilir. Bu, hizmet ömrünü genişletir ve denetim ihtiyaçlarını azaltır.
  • [FONT:0]Aerospace: Termal bisiklet veya mikrometeoroid etkilerinden kaynaklanan mikroklavuzlar ve uydu yapıları, zemin müdahale olmadan yorgunluk başarısızlığının önlenmesi.
  • [FONT:0)Automotive[DÜT:1]: Motor ısı veya güneş ışığında ısıtıldığında küçük çizgelerden ve dezenlerden kurtarılan kendi kendini kınayan bir tampon veya vücut paneli.
  • [[Düzücüler[Döneticiler: 1): Mekanik devreler ve sensörleri çatlayarak elektrik sürekliliği geri yükleme, cihazı güvenilirliği geliştirmek.

Araştırma Kendi kendine Yüksek Hafifletme 4D Baskı

Notable örnekler, 4D baskılı "akıllı ortak", ısıtılması ve aynı anda iç delaminasyonları iyileştirmektedir. Başka bir ekip, bir form bellek epoxy içinde bir damar ağı yazdırdı; kırıklıktan sonra, şifacı, UV altında pompalandı ve %80'in üzerinde iyileşme elde etti. Özellikle umut verici bir yön, soğutmanın kullanımıdır.0policaprolactone (PCL)).

Meydanlar ve Sınırlar

Hızlı ilerlemeye rağmen, önemli engeller 4D baskılı kendini bilgilendirmeden önce kalır ve kendini ifade eden bileşenler yaygın hale gelir.

  • [FONT:0)Malzeme kısıtlamaları[Dönetici: Çoğu akıllı malzeme sınırlı mekanik güç, sıcaklık direnci veya yorgunluk ömrüne sahiptir. SMPs genellikle düşük sertliklere sahiptir, hidrojekteler yüksek performanslı yapısal malzemeleri (örneğin, karbon kompozit fiberler) azaltırken, yüksek performanslı plastik malzemelerle karıştırılır.
  • [FONT:0]Scalability [DDD baskı küçük ölçekli parçalarla sınırlı ( birkaç on santimetreye kadar) Scaling to metre büyüklüğü, uzun baskı süreleri ve büyük alanlardan gelen uyaranlar için zor.
  • [FONT=0)Aktif koşullar[Dönetici: Birçok stimuli (örneğin, belirli sıcaklıklar, UV ışığı, yüksek nem) her zaman gerçek dünyadaki koşullarda güvenilir ve tekrarlanabilir aktivasyon değildir (örneğin, uzayda, sualtı veya içeride beton) açık bir problemdir.
  • [FONT:0)Healing verimliliği ve tekrarlanabilirlik[Dönetici: Self-healing sistemleri genellikle iyileşme ajanlarının veya geri yüklemelerin bozulması nedeniyle ilk döngüden sonra etkili bir şekilde zarar verir. Çok fazla güçlü onarımların bozulması hala laboratuvar-öldürülebilir.
  • [FONT:0) Kullanılabilirlik): 4D malzemeler yorulmadan şekil değişikliğin streslerine dayanmalıdır. Tekrarlanan katlama / parçalama bu şekilde mekanik başarısızlıklara yol açabilir, ancak döngü ve şifa kinetiği arasındaki etkileşim kötü bir şekilde anlaşılmıştır.
  • [FONT:0]Cost[[DÜT:1): Akıllı malzemeler ve çok-mal yazıcılar pahalı. Yaygın kabul için, malzemelerdeki maliyet azaltımı ve daha hızlı baskı yöntemleri (örneğin sürekli dijital ışık işleme) gereklidir.

Future Yol ve Etkisi

Alan, karmaşık ortamlarda anlamlandırılabilecek çok işlevli malzemelere doğru ilerliyor ve iyileşiyor: Anahtar eğilimleri şunları içerir:

  • [FONT:0]4D beton ve çimentolu kompozitlerin baskısını bastırır[DÜT:1).: Aklıtıcı katkı maddeleri (örneğin, bellek alaşımları veya genişletilebilir polimerler) kendi kendine özgü açık ve kendi kendine bilgilendirici mimari elemanları oluşturmak için baskılanır.
  • [FONT:0]Programlanabilir madde[[[Dönemli Madde[[Dönetici:0)[[Dönlenebilir Madde[[Dönemli Maddeler:))): gömülü eylemciler ve geri dönüşümlü bağlantıları kullanarak kendilerini farklı şekillerde yeniden yapılandırabilecek modüler birimler. Bu, inşaatı devrimleştirebilir, tek bir köprü oluşturmak için tek bir dizi baskılı bloklar izin verebilir.
  • [FONT:0] Özerk altyapı[[D-printed self-healing components with sensör network and AI. Yapı hasar tespit eder, iyileşmeyi tetikler ve hatta kendi yerini değiştirdiğinizde karar verir.
  • [FONT:0) Metallerin katkılarını sağlamak için Integration with katkı üretimi): Çoğu 4D baskı polimerlere odaklanırken, şekli hafıza alaşımlarına (örneğin, Nitinol) toz yatak füzyon ile yazdırılır.
  • [FONT:0)Biodegradable ve çevresel duyarlı malzemeler): Kullanıldıktan sonra kaldırılan geçici tıbbi implantlar veya ambalajlar için, 4D baskı sadece belirli bir biyolojik koşullardan sonra bozulabilir.

Düzenleme standartları ve tasarım yönergeleri hala en çok düşük motorlar için 4D baskılı parçaların sertifikalandırılması (havalı, tıbbi implantlar) zaman bağımlı davranışlarının kapsamlı test ve modellemesini gerektirecektir. Ancak, araştırma ilerlemeleri olarak, motorlar olmadan ortaya çıkan binalar vizyonu ve hasta fizyolojiye adapte olan implantlar gerçeğe daha yakın şekilde.

4D baskı, daha dirençli, verimli ve akıllı olan yeni bir mühendislik sınıfı oluşturmak için tasarlanmıştır. yapısal bileşenlerdeki kendini ifade eden yetenekleri yeniden tanımlamak, gelecekte sürdürülebilir ve özerk altyapıya sahip olmak için önemli olacaktır.