4D Printing: Programlanabilir Maddenin Sonraki Nesili

On yıllardır, katkı üretimi 3D baskı ile eş anlamlı olmuştur - tam olarak programlanmış geometriler ile akıllı malzemeler birleştirerek, bir sonraki adım, dördüncü boyut tanıtmaktadır: Bu evrim gerçekten programlanabilir nesneler için yeteneği taşır - özellikleri ve yapılandırmaları tamamen programlanmış geometriler ile birleştirilebilir.

4D Printing'i anlamak ve programlanabilir Madde

3D baskının temeli üzerine inşa eder, ancak zaman zamansal bir bileşeni getirir. object's design, 2013 yılında Skylar Tibbits tarafından, belirli bir stile maruz kaldığı zaman, genişletilmiş bir zincirle genişletilebilir.Bu “zaman” boyutu sadece bozulma veya yaşlanma ile ilgili değildir, ancak akıllı, öngörülebilir dönüşümle ilgili olarak.

programlanabilir madde daha geniş bir kavramdır: fiziksel formunu veya işlevini değiştirmek için talimat verilen bir malzemedir. 4D baskı, programlanabilir madde oluşturmak için en umut verici yöntemlerden biridir, çünkü dönüşümlerin nerede gerçekleştiği ve malzemedeki anahtarın kendi başına nasıl olduğunu kesin bir kontrol sağlar - ardından bu durumu hatırlamak için akıllı malzemeler veya bu durumu tamamen yeni şekillere geri dönebilir.

Malzemeler ve Teknolojiler 4D Baskı

Şekil-Memory Polimerleri

Şekil-memory polimerleri (SMPs) 4D baskı için en yaygın olarak incelenmiş akıllı malzemeler sınıfıdır. Bu polimerler geçici bir şekle aşina olabilir ve sonra dışsal bir stile maruz kaldığı orijinal şekline geri dönebilirler - çoğu zaman ısının aksine, SMP'ler hafif, ucuz ve daha kolay, ve tek bir materyalin bulunduğu bir çift-seçimli konfigürasyonu içerir.

Hidrojekteler ve Hygrooskopik Malzemeler

Hidrojekteler, çok katmanlı yapılarda basılmış olan, hidrojektif kompozitler veya çevre sensörlerinin sularını tükettiği için doğal adaylardır.Bu, onları yumuşak robotlar için ideal kılar, biyomedikal cihazlar veya doku scaffoldları dahil etmek gibi, ve çevresel sensörler. Hygro-bazlı kompozitler - bu hücreli veya kuru parçaları içerler - daha fazla ısıtılır.

Sorumluluklu Kompozitler ve Çok-Mal Baskı

Birçok 4D baskı uygulamaları, birden fazla makyaj veya dijital ışık işleme (DLP) ile kombine eden malzemeler (önemli bir işlem için) veya karbon nanotüpler (enerjiye dayalı olarak tetiklenen dönüşüm için) çok-malzeme 3D baskı, diğer yerlerdeki sertleştirici veya dijital ışık işleme (DLP) gibi, tek bir baskı içinde hassas ve pasif malzemelerin entegrasyonuna izin verir.

Diğer ortaya çıkan malzemeler, sıvı kristal elastomerler (LCEs) ile ışık ısıya çeviren UV ışığı ve fototermal kompozitler ile şekil değişiminin yayılması, şekli hafızaya dönüştürdüğü gibi, alan, kendini iyileştirme ajanları içeren malzemelere doğru hareket eder: mikrokaplar baskıya gömülüdür, çatlakları kırılırken serbest bırakır.

Dönüşümün Mekanizmaları: 4D Printing Works

Başarılı 4D baskı, üç bağlantılı elementlere dayanıyor: malzeme seçimi, geometrik tasarım ve tetikleyiciler, baskı sürecinde programlanmalıdır - ya da mekansal olarak farklı olarak bağlantı kurmanın yanı sıra, bu değişimin büyüklüğü ve yönünün belirlenmesi, yarı iletken polimerlerin belirlenmesi ve taşınması.

Geometrik tasarım kritik bir rol oynar. Finite-element analizi (FEA) simülasyonlar, çok boyutlu bir yapının nasıl katlanacağını veya genişleteceğini tahmin etmek için kullanılır. Hinges, creas, ve aktif bölgelerden daha fazlası stratejik olarak yerleştirilir. Aktif materyal sürüş kuvveti sağlarken, örneğin, hidrojek şeritler ile yazdırılan bir düz sayfayı ıslak olarak genişletilir.

Stimulus kontrolü, kızılötesi ışık veya alternating manyetik alanlar gibi üçüncü yığınlardır, çünkü uzaktan aktivasyon gösterdiler: Bir parça ilk katlar geçici bir şekilde, sonra, ikinci bir tetikleyicide, son bir yapılandırmaya ortaya çıkıyor.Bu eşdeğer davranış, hassas sistemlerde, hızlı bir şekilde başlatılabilir veya güneş panelleri için gerekli olan en iyi şekilde tasarlanmıştır.

4D'nin mühendislik uygulamaları programlanabilir Madde

Havacılık ve Uzay Yapıları

Havacılık endüstrisi 4D baskısından muazzam ölçüde faydalanıyor. Uydular ve uzay aracı genellikle yörüngede fırlatılan bileşenlere ihtiyaç duyuyor ve yörüngede dağıtılıyor. 4D baskılı patlamalar, antenler ve güneş dizileri ısıtıldığında düz ve daha sonra kendi kendine morfizeler dahil edebilir. Bu, karmaşık eğimlere, motorlara ve ilkbaharlara ihtiyaç duyar, ağırlıkları azaltır ve başarısızlık puanlarını azaltır. NASA zaten 4D baskılı radyo-freze antenleri test etti.

Tıbbi Cihazlar ve İmplantlar

Biyoakontucu 4D baskılı malzemeler, yeni bir tıbbi cihazlar sınıfını sağlar. Vücut ısıları etkinleştirildiğinde kan damarlarını sığabilecek ilaçlar minimum olarak invazif olarak teslim edilebilir. Yakın yaralara otomatik olarak daha sıkılaşan cerrahi implantlar, bu tür cihazlardan yapılan bir program, tek bir tasarıma eklenebilir ve sonra kemik kusurları doldurmaya genişletilebilir.

Sivil Altyapı ve Kendi kendini - Yapıları

İnşaatta, 4D baskı, yerdeki işgücü ve malzeme atıklarını azaltmayı vaat ediyor. Araştırmacılar, güneş ısısı tarafından etkinleştirilen 4D materyalinin kompakt rulolarını veya domesajlarını monte ederek tekrarlamaları, kirişlerde takviye edilen bölümleri oluşturmaları veya beton tedavilerden sonra form işleri çözmüş durumdaki beton taşlarının serbest bırakılmasını kanıtlamaktadır.

Yumuşak Robotik ve Adaptif Yapılar

Yumuşak robotlar 4D baskılı malzemelerin uyumlu, esnek doğasını kullanırlar. zarar vermeden nesneler etrafında eğriler Hidrojekte veya form-memory elastomerlerden yapılabilir.Görünmüş alanlarda (örneğin, boruların veya insan kan damarlarının içinde) dış motorlar veya sensörler veya sensörler gerektirdiğinde, kontrol ve artış sağlayan 4D baskılı bir şekilde kullanılabilir.

Meydanlar ve Current Research Yol

Malzeme Durability ve Fatigue

4D baskılı nesneler etkileyici dönüşümler gösterirken, uzun vadeli güvenilirlik endişe kalır. Şekil işaretli polimerler, moleküler zincir makasları veya stres rahatlaması nedeniyle tekrarlanan döngüleri kaybeder. Hydrogels, her döngüden sonra malzemenin moleküler yapısını ortadan kaldırır. Araştırmacılar hibrit malzemeler geliştiriyorlar -örneğin interpenetating polimer ağları - bu da gelişmiş yorgunluk direnci ile şekil işaretleyici etkiyi birleştirir.

Dönüşümlerin İncelenmesi ve Kontrolü

4D baskılı bir parçasının gerçek dünya koşullarında şekli değiştireceğini tahmin etmek, materyal kompozisyonda küçük değişiklikler, baskı veya ortam sıcaklığında kullanılan formdan büyük sapmalara yol açabilir. Multi-fizik simülasyon araçları çift termal, diffüzyon ve mekanik modeller için rafine edilir. Makine öğrenme algoritmaları da daha iyi bir şekilde evrim tahmin etmek için deneysel veriler üzerinde eğitilir. Kapalı-loop kontrolü - baskılı sensörlerin baskılı kısmı izlemek için baskılı bir parçaya yol açabilir.

Scalability and Manufacturing Throughput

Mevcut 4D baskı yöntemleri yavaş ve küçük toplularla sınırlı. Çoğu gösteri, 4D baskı kafalarıyla donatılmış, veya DLP'nin küçük inşaat hacmine ulaşması için sürekli baskı tekniklerini araştırıyor, ancak fiyat, kağıt ürünleri için baskı yapan ve konveyörlü baskı baskı ile baskı yapıyor.

Diğer Teknolojilerle entegrasyon

Future 4D baskı sistemleri muhtemelen elektronik, sensörler ve enerji depolama içerir. Baskı iletkenleri doğrudan bağlantıya kilitlenebilir, elektrik aktivasyonuna izin verebilir. 4D basılı bileşenlerde gömülü olan Triboelektrik jeneratörleri, hareket değerlerinden enerji üretebilir. Araştırmacılar )

Yol Ahead: Scale'de programlanabilir Madde

4D baskı, laboratuvar prototiplerinden endüstriyel uygulamalara doğru ilerlerken, 4D tasarım ile birlikte çeşitli eğilimler ortaya çıkmaktadır. İlk olarak, çok boyutlu baskı yetenekleri geleneksel olarak üretmek mümkün olan karmaşık parçalar yaratılmasını sağlamak için çok daha erişilebilir hale getiriyor, ticari yazıcılar şimdi iki yönlü akıllı malzemeler sunuyor - hücreli asitler, polilatik asit (PLA) ile birlikte, 4D tasarım ile en iyi şekilde entegre edilir ve kullanımı mümkün olan kompozitler.

Bir umut verici yön, şu anda yavaş olan 4D baskının kombinasyonunun birleşimidir: 4D yazıcı verileri üzerinde eğitilmiş AI modelleri, verilen bir dönüşüm için tasarım alanını hızla keşfedebilir - en iyi maddi dağıtım ve koşulları tetikler.Bu, şu anda yavaşlayan deneme-ve-terörün kombinasyonunu dramatik bir şekilde azaltır. Başka bir konsept “living” malzemeler: 4D baskılı scaffolds koloniized bybacterized bybacter deposition or negative-re blank.

Programlamanın uzun vadeli vizyonu, kendilerini komuta üzerine yeniden yapılandırabilecek nesnelerdir - Malzeme dergisindeki bir sandalye, akanlık oranına göre, farklı uçuş aşamalarındaki değişiklikler şekli olan bir kanat. 4D baskı, bu tür malzemeler oluşturmak için henüz en pratik yöntemdir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

4D baskı, malzeme ve üretim hakkında ne düşündüğümüz konusunda temel bir değişim temsil eder. Zaman içinde değişme yeteneğini gömerek, mühendisler, daha hafif, daha çok yönlü ve statik meslektaşlarından daha verimli bir şekilde, akıllı malzemeler, hesaplama tasarımı ve çok-malzeme baskı arasındaki sinerji, daha uzun bir bilim kurgu üreterek, tıp, altyapı ve robotik olarak, dayanıklılık içinde kalırlar, ölçeklenebilirlik ve maliyetle yapılır.