Skip to main content

4D печать? Преодоление аддитивного производства с помощью интеллектуальных материалов

4D печать?  Аддитивное производство мостов с использованием интеллектуальных материалов, изготовление плавленых волокон для апертуры, реагирующей на климат с несколькими кинематическими состояниями.  Image Кортезия де Давид Корреа / Ахим Менгес

Пока мы все еще пытаемся понять возможности и ограничения трехмерной печати и аддитивного производства, в нашем словаре появился новый термин. 4D-печать — это не что иное, как технология цифрового производства, 3D-печать, которая включает новое измерение: временное. Это означает, что печатный материал, когда он будет готов, сможет автономно модифицироваться, трансформироваться или перемещаться благодаря своим внутренним свойствам, которые реагируют на раздражители окружающей среды.

Эта концепция была популяризирована исследователем Скайларом Тиббитсом, который координирует лабораторию самосборки Массачусетского технологического института (MIT) в сотрудничестве со Stratasys и Autodesk. Технология все еще довольно новая, но ожидается, что она будет использоваться во многих областях, от строительства, инфраструктуры, автомобилестроения и аэронавтики и даже для здравоохранения, в сочетании с биопечатью.

4D печать напрямую зависит от материалов, использованных для создания объекта. Так называемые интеллектуальные материалы, как показывает в этой лекции исследователь Анна Плошайски, представляют собой твердые тела, которые обладают свойством — формой, размерами или цветом — которые изменяются в ответ на внешние раздражители, такие как тепло, свет, влажность, давление или магнетизм. простой благодаря своим внутренним свойствам материала. По словам Анны: «Сегодняшний трехмерный материальный мир состоит из пассивных, неодушевленных материалов, таких как кирпич, сталь и стекло. Четырехмерные структуры состоят из активных, анимированных, так называемых «умных» материалов, которые движутся автономно — набухают, сжимаются или изгибаются в ответ на раздражитель — в сочетании с пассивными материалами. Это позволяет им перемещаться и изменять форму без использования робототехники, электроники или двигателей ».

Подробная информация о четырехмерном печатном кубе и четырехмерном печатном усеченном октаэдре.  Благодаря свойствам слоистых материалов объекты собираются самостоятельно.  Предоставлено лабораторией самосборки, Массачусетский технологический институт, Stratasys Ltd., Autodesk Inc.

Она приводит в пример сосновую шишку как природный интеллектуальный материал. Он работает через два слоя жестких волокон, которые проходят в разных направлениях, позволяя открывать или закрывать конус, так что семена высвобождаются только тогда, когда время благоприятно для прорастания в почве (горячая и сухая). При высокой влажности шишка остается закрытой, защищая семена. Это один из примеров того, как стремление понять и воспроизвести сложные природные процессы адаптируемости, устойчивости и эффективности — это то, что мотивирует инженеров-материаловедов. Это также движущая сила биомимикрии, в которой 4D-печать может материализовать многие идеи, которых технология еще не реализовала.

Программируемое углеродное волокно.  Image Cortesia de Self-Assembly Lab, Массачусетский технологический институт;  ООО «Карбитекс»;  Autodesk Inc

Основная цель 4D-печати — программировать материал, заставляя его реагировать в соответствии с параметрами окружающей среды. Но для чего это можно использовать? В этом выступлении Скайлар Тиббитс показывает некоторые текущие эксперименты, в которых объекты при нагревании или стимулировании каким-либо образом изгибаются и принимают другие трехмерные объемы. Исследователь также упоминает различные другие возможности 4D-печати, например, в области инфраструктуры: например, дренажная труба, которая может сжиматься или расширяться вместе с потоком воды; или канализационная система, которая может транспортировать отходы посредством сокращений и расслаблений, подобных перистальтическим движениям кишечника, которые могут преодолевать склоны местности.

Программируемое дерево.  Image Cortesia de Self-Assembly Lab, Массачусетский технологический институт;  ООО «Карбитекс»;  Autodesk IncПрограммируемое дерево.  Image Cortesia de Self-Assembly Lab, Массачусетский технологический институт;  Кристоф Губеран, дизайнер продукта;  Эрик Демейн, MIT CSAIL;  Autodesk Inc.

Будущие приложения можно увидеть в строительстве и производстве или в отраслях передовых материалов, где детали могут самостоятельно трансформироваться из сырья в готовые встроенные конструкции без вмешательства человека. Это действительно радикальный сдвиг в нашем понимании структур, которые до этого момента оставались статичными и жесткими (аэрокосмическая, автомобильная, строительная промышленность и т. Д.) И скоро станут динамичными, адаптируемыми и настраиваемыми для работы по требованию. . 4D-печать, усовершенствованная технологией мультиматериалов, может, вероятно, революционизировать нашу способность контролировать и точно программировать материалы — от идеи-концепции до печати с изменяющими форму преобразованиями. (Скайлар Тиббитс | Лаборатория самосборки, Массачусетский технологический институт)


Также уже ведутся серьезные исследования в области 4D-печати полимерных материалов для регенерации тканей и органов или даже для реконструкции костей. Возможности безграничны, и эксперименты могут пойти намного дальше. Представьте себе все, что интеллектуальные материалы и 4D-печать могут дать конвертам зданий, адаптируясь к климату и реагируя на самые разнообразные стимулы. Несмотря на то, что технология все еще находится в зачаточном состоянии и сосредоточена в нескольких технологических лабораториях по всему миру, похоже, что у нее многообещающее будущее. Когда мы стремимся понять природу и подражать ей, а не овладеть ею, результаты часто впечатляют. Если история показывает, что выживает не самый сильный, а тот, который лучше всего адаптируется к изменениям, 4D-печать с использованием интеллектуальных материалов, похоже, стоит рассмотреть.

Примечание: эта статья была первоначально опубликована 29 августа 2021 года.

Эта статья является частью Topic: New Practices, гордо представленного PERI. Отдел будущих продуктов и технологий PERI исследует прорывные технологии, которые могут коренным образом изменить строительную отрасль. Цель состоит в том, чтобы распознать признаки будущего и помочь сформировать это будущее. Таким образом, благодаря методичному подходу PERI расширяет свою ключевую компетенцию и является явным пионером на рынке. Узнайте больше о наших ежемесячных темах. Как всегда, в мы приветствуем вклад наших читателей; если вы хотите отправить статью или проект, свяжитесь с нами.

.

Оставить комментарий