4D-печать создает самоорганизующуюся, программируемую материю, предназначенную для временной трансформации, создавая своего рода активное оригами. Термин 4D или четвертое измерение по сути означает время и описывает влияние времени на напечатанный объект.
- Определение инновационной технологии 4D-печати — это процесс создания 3D-печатных объектов, которые могут трансформироваться с течением времени под воздействием определенных факторов, таких как воздействие воздуха, воды или тепла.
«С помощью 4D-печати можно печатать объекты с дополнительными функциями, которые позволяют им менять форму или функции с течением времени», — сказал Синьи Сяо, доцент кафедры машиностроения и производства в Университете Майами . «Это можно использовать для создания объектов, которые могут адаптироваться к окружающей среде или даже самовосстанавливаться».
Содержание:
Наука 4D-печати
В проектах 4D-печати 3D-печатные визуализации в основном создаются с учетом зависимости от времени. После полного изготовления эти визуализации могут трансформироваться в ответ на внешние стимулы, с которыми они взаимодействуют.
Изменяющие форму, умные материалы, из которых состоят 4D-печатные предметы, реагируют на катализатор — например, тепло, воду, свет, ветер или электричество — на основе набора инструкций, записанных в их геометрическом коде. Они могут удлиняться, сгибаться, морщиться, складываться, скручиваться или даже распадаться после активации. Все, от дерева до резины, можно стратифицировать с помощью материалов, реагирующих на стимулы. Цель этой практики — открывать новые свойства и манипулировать объектами без человеческого или механического вмешательства.
Как работает 4D-печать
Вооружившись коммерческими 3D-принтерами, исследователи начинают с ввода интеллектуального материала, также известного как метаматериал. Эти текстильные материалы, которые обладают уникальными для 4D-объектов преобразующими свойствами, обычно изготавливаются из гидрогеля или полимеров с памятью формы. Гидрогели реагируют на влагу, в то время как полимеры с памятью формы обладают способностью возвращаться в исходное состояние после деформации.
«Простейшим примером может служить губка — материал, который меняет форму при давлении», — говорит Винит Венугопал, инженер-материаловед из Массачусетского технологического института.
Более сложным примером, по его словам, будет сплав с эффектом памяти формы, такой как NiTinol. Изготовленный из титана и никеля, он может возвращаться к своей первоначальной форме после любой деформации.
Для чего используется 4D-печать
Четырехмерная печать имеет множество потенциально важных областей применения — медицина, гибкую электронику, мягких роботов и даже мебель. Например, проводящие чернила можно использовать для создания электронных устройств. Однако этот процесс ограничен плоскими поверхностями, адаптируя поведение изменения формы, доступное в 4D, можно разрабатывать более сложные электронные компоненты.
В настоящее время аэрокосмическая, автомобильная, швейная , строительная, военная, здравоохранение и обрабатывающая промышленность являются передовыми отраслями осваивающими 4D-печать.
Настоящее чудо технологии 4D-печати кроется в ее широком будущем. Сегодняшний успех печати простого, самораскладывающегося стула заставляет исследователей и 4D-энтузиастов мечтать об адаптивных медицинских имплантатах и самодельных зданиях .
4D-печать все еще находится на ранних стадиях, но это уникальная технология, которая может изменить способ производства объектов.
Сегодня, так называемые «умные материалы» могут полностью изменить наш мир в будущем.
Эти анимированные черты можно приписать геометрическому коду, запрограммированному в материале. Согласно его инструкциям, напечатанный объект активируется после срабатывания заданного стимула, встречающегося естественным образом в его среде.
Свойства интеллектуальных материалов, используемых в 4D-печати:
- Гидрогели: Материалы, реагирующие на влагу. Материя, которая изменяется при взаимодействии с электрической энергией;
- Пьезоэлектрики: реагируют на приложенное механическое напряжение, такое как давление или скрытое тепло;
- Термореактивность: тепло или колебания температуры преобразуют эти материалы.
Фотореактивные: материалы, катализируемые светом; - Магнетореактивные: элементы, которые трансформируются при взаимодействии с магнитной энергией;
- PH-реактивный: вещество, реакция которого зависит от уровня pH.
3D-печать против четырехмерной печати
Четырехмерная печать является следующим инновационным шагом после технологии 3D-печати, важно отметить что 4D невозможна без 3D. Различие между ними начинается с установления базы обеих технологий. Трехмерная печать — это метод быстрого прототипирования, обычно называемый аддитивным производством, при котором материал наносится слой за слоем для изготовления трехмерных объектов.
Этот же механизм используется в 4D-печати для создания деталей. Однако бонусное измерение, которое отличает одно от другого, определяется в геометрическом кодировании объекта, как подробно описано выше, которое выполняет этот дополнительный шаг перед нажатием печати. Здесь исследователи кодируют желаемую функциональность объекта на основе его углов, измерений и размеров.
Итак, так же, как 3D-печать заключается в добавлении глубины к ограничениям 2D-структуры, 4D заключается в добавлении еще одного фактора к размерной композиции — времени. А точнее, изменения со временем. В то время как объекты, напечатанные на 4D-принтере, будут трансформироваться в некое действие, 3D-печатные визуализации сохраняют свою статическую, жесткую форму.
4D-печать способна создавать объекты, которые могут менять форму и размер после печати, тогда как 3D-печать — это более базовая форма, которая может создавать только объекты фиксированной формы.
Примеры 4D-печати
Инновации в области 4D-печати в данное время еще не коммерциализированны и по-прежнему ограничиваются исследованиями и лабораторными экспериментами. Любые имеющие место применения, такие как грудной имплантат , позволяющий расти здоровой ткани у ракового пациента, считаются крайне экспериментальными аномалиями, которые, прежде чем получить широкое распространение, ожидают существенных испытаний и одобрения правительства.
Основа уже заложена, реальные примеры использования 3D-печати предвосхитят то, что произойдет — по крайней мере, в ближайшем будущем — с 4D-печатью.
Некоторые разработки сегодня в области 4D-печати:
Биомедицина. Тканевая инженерия
Биоразлагаемый 4D грудной имплантат, является примером тканевой инженерии, пионером которой являются исследователи из национальной лаборатории Сианьского университета Цзяотун. Это применение было разработано при использовании клеточного клея, известного как скаффолд, или биоматериалы, разработанные для содействия клеточному росту при формировании новых функциональных тканей. В этом случае аддитивная структурная оболочка создается из скаффолдов, которые фототермически активируются для перемещения вместе с телом и поддержания формы по мере регенерации нераковых тканей.
Группа исследователей из Университета Джорджа Вашингтона использует тканевую инженерию для создания сердечных заплат , сделанных из чернил на основе желатина. Эти био-пластыри могут восстанавливать повреждения сердечной мышцы, без необходимости в клее. Сшитая структура разработана для растяжения при расширении и сокращении бьющегося сердца пациента.
Кроме того, другая группа из Университета Джорджа Вашингтона разработала биосовместимую смолу , полученную из возобновляемого соевого масла , которая меняет форму при взаимодействии с источником тепла, а затем возвращается к своей исходной форме, когда температура стабилизируется. В дальнейшем исследователи полагают, что материал может быть использован для роста стволовых клеток с использованием костного мозга.
Доставка лекарств в целевую часть тела человека
Это процесс, где металлические звездообразные микроустройства, сделанные из меняющей форму пленки, предназначенные для переноса любого типа препарата в целевую часть тела и его медленного высвобождения. Они покрыты термочувствительным парафиновым воском, который прилипает к кишечному тракту пациента. После внедрения они начинают вводить препарат, как только он сравняется с температурой тела хозяина. Эта технология, впервые разработанная исследователями из Университета Джонса Хопкинса, имеет размер пылинки и может переносить одну дозу любого типа препарата.
Другой подход, впервые предложенный исследователями Мичиганского технологического университета, использует магнитные 3D-печатные чернила, наполненные микрочастицами. Магнитными свойствами микрочастиц можно управлять дистанционно, чтобы устранять закупорки в желудочно-кишечном тракте, извлекать образцы тканей и доставлять лечение в целевую область внутри пациента.
Мягкие роботы
Мягкие роботы — это биомиметические создания, которые обменивают жесткое оборудование на податливые материалы, которые больше напоминают живые организмы. Их гидрогелевый состав обеспечивает гибкую структуру, которая меняет размер и форму, что делает их более подходящими для случаев использования, требующих более мягкого прикосновения.
Мягкость и универсальность, присущие этим 4D-прототипам, представляют ценность для таких областей, как медицина и бионика.
Двое исследователей из Университета Райса говорят, что они недалеки от 4D-печати изменяющих форму биомедицинских имплантатов. С помощью жидкокристаллических полимерных чернил их подход отделяет процесс печати от автономной трансформации объекта, чтобы оптимизировать управление формой и печатать более сложные структуры.
Промышленность и производство
Представьте себе склад, полный коробок. Теперь замените картонный стандарт на умный материал, пропитанный памятью формы и активируемыми светом полимерами, закодированными для самостоятельного складывания и самостоятельной сборки. Трудно представить? Ну, это, вероятно, потому, что это совершенно новый уровень автоматизации в процессе создания.
Исследование осуществимости 2015 года, проведенное Технологическим институтом Джорджии, продемонстрировало это с использованием термочувствительных полимеров с памятью формы. Согласно исследованию, эта технология позволила создать производственную процедуру , которая «обещает продвинуть немедленные инженерные приложения для недорогого, быстрого и массового производства».
Потенциальные области применения этой технологии включают пакеты для молока, хозяйственные сумки и автомобильные подушки безопасности.
Регулируемая униформа и камуфляж
Один из текущих проектов лаборатории самосборки Массачусетского технологического института — активный текстильный пошив — занимается экспериментами с умными волокнами, которые проводят эксперименты и создают саморегулирующуюся одежду. Эти носимые устройства способны подстраиваться под форму и движение тела в ответ на тепло и влажность.
Специально для военных целей в настоящее время проводятся испытания камуфляжа, похожего на хамелеон, который меняет свой цветовой рисунок, чтобы соответствовать окружающей среде при движении в режиме реального времени, а также униформы, бронированной из «умных» материалов, которые защищают солдат от токсичных газов.
Аэрокосмическая промышленность
Космический архитектор НАСА Рауль Пулидо Касильяс напечатал на 4D-принтере умную ткань из серебряной металлической сетки с терморегуляцией, встроенной в костюмы астронавтов и покрытия космических кораблей. Отражающие зеркальные блоки отражают тепло снаружи, изолируя изнутри.
Совпадение, предначертанное звездами, 4D-печать предлагает недорогие, прочные решения для изготовления изделий для аэрокосмических проектов , которые можно запрограммировать на то, чтобы выдерживать суровые условия или даже адаптироваться и модифицироваться под изменяющуюся среду. Исследование Polymer показало , что легкие термопластичные 4D-материалы, используемые для ремонта спутников, инструментов или деталей космических аппаратов, могут сократить массу традиционно производимых деталей до 80 процентов.
Помимо разработки термочувствительных материалов для лучшей терморегуляции двигателей, европейская аэрокосмическая корпорация Airbus планирует заменить свои шарниры и гидравлические приводы на 4D-печатные компоненты в стиле Lego, запрограммированные с помощью реактивных метаматериалов. Это значительно облегчит нагрузку на каждое транспортное средство, одновременно добавив ему функциональности.
0 Комментарии