Исследование 4D-печати: Трансформирующиеся материалы для адаптивных применений

Откройте для себя инновационный мир 4D-печати, в котором "умные" материалы эволюционируют с течением времени. Узнайте о ее применении в здравоохранении, аэрокосмической промышленности и строительстве, а также о проблемах и будущем потенциале этой революционной технологии.

4D-печать: Материалы, изменяющие форму, для адаптивных продуктов

Статья о 4D-печати начинается с ВведениеВ статье дается определение и обзор адаптивных продуктов, созданных с помощью этой технологии. Затем в статье рассматриваются Появление 4D-печатиВ ней подробно описывается исторический контекст, ключевые первопроходцы и начальные исследования. Обсуждение переходит к Эволюция умных материаловВ статье рассматриваются различные типы полимеров, включая полимеры с памятью формы (ППФ), гидрогели, чувствительные полимеры и биоинспирированные материалы. Далее в статье рассматриваются Области применения 4D-печати в различных секторах.

На сайте ЗдравоохранениеВ ней обсуждаются персонализированные имплантаты, протезы, тканевая инженерия и системы доставки лекарств. На сайте Строительство Раздел охватывает адаптивные конструкции, технологии самовосстановления и инновации в области климат-контроля. На сайте Аэрокосмическая промышленность В этом сегменте особое внимание уделяется легким конструкциям и развертываемым структурам. Механика, лежащая в основе 4D-печатных объектов, подробно описана в разделе Механика 4D печатных объектов, который включает в себя программируемые механизмы деформации, базовые элементы и трансформации, а также адаптивные структуры, такие как переключаемая жесткость и настраиваемые коэффициенты Пуассона.

The Заключение Подводит итог трансформационному потенциалу 4D-печати и рассматривает будущие перспективы и проблемы. Наконец, в разделе Вопросы и ответы отвечает на распространенные вопросы о материалах, производимых предметах, механизмах работы и текущих проблемах.

4D-печать - это относительно новый вид аддитивного производства, который вводит четвертое измерение в формирование объекта - время. 4D-печать возникает благодаря способности "умного" материала при интеграции в 3D-печать создавать структуры и материалы, которые могут изменять свою форму или функциональность с течением времени в ответ на раздражители в окружающей среде. Описанная динамическая способность открывает новые перспективы для проектирования и производства высокоуниверсальных и адаптивных товаров. Таким образом, в настоящее время потенциал инноваций 4D-печати вдохновляет исследователей на изучение новых материалов и практическое применение для меняющихся отраслей промышленности.

На микроуровне мы можем программировать поведение и создавать на макроуровне объекты, которые могут менять свою форму в соответствии с программой. Это позволяет создавать различные приложения - от биомедицинских устройств до реагирующих зданий и развертываемых космических кораблей. В этой статье рассматриваются последние достижения, которые расширяют границы технологии 4D-печати. В ней рассматриваются новые "умные" материалы, обеспечивающие сложную реакцию на различные триггеры.

В книге также рассматриваются технологии изготовления этих стимульно-реактивных материалов. Рассматриваются области применения 4D-печати в таких секторах, как здравоохранение, инфраструктура и аэрокосмическая промышленность. Также рассматриваются механизмы, лежащие в основе 4D-печатных объектов. В целом, эта статья призвана пролить свет на преобразующее воздействие и будущий потенциал 4D-печати.

Анализ дает представление о глобальном интересе к теме 4D-печати с течением времени. При сравнении поискового интереса к запросу "4D-печать" со всеми поисковыми запросами в базе данных Google выявляется несколько заметных тенденций. Уровень интереса постепенно повышался с момента появления идеи и достиг пика в марте 2018 года, а затем в апреле 2020 года. Это свидетельствует о растущем любопытстве и осведомленности пользователей Интернета по всему миру о данной технологии.

По регионам наибольшее количество поисковых запросов приходится на США, Индию, Канаду, Великобританию и Южную Корею, что свидетельствует об особом интересе со стороны развитых высокотехнологичных стран. Ключевой интерес также проявляют Австралия, Германия, Южная Африка и Тайвань. При анализе смежных поисковых запросов часто встречаются понятия "приложения для 4D-печати" и "умные материалы для 4D-печати". Это свидетельствует об интересе не только к самому процессу, но и к тому, как с его помощью можно создавать новые материалы и устройства.

Образовательные учреждения занимают видное место в соответствующих запросах, подчеркивая роль 4D-печати в исследованиях и обучении технологиям производства нового поколения. В совокупности этот анализ позволяет сделать вывод о том, что, несмотря на то, что 4D-печать все еще является развивающейся областью, она набирает значительные обороты в мире как революционная технология, имеющая разнообразные применения в различных отраслях промышленности и на различных рынках по всему миру.

Появление 4D-печати

4D-печать возникла в связи с ограничениями 3D-печати по производству только статичных объектов. Она усовершенствовала аддитивное производство, включив в него измерение времени благодаря использованию "умных" материалов, которые могут менять форму или функциональность в течение определенного периода времени в ответ на воздействие окружающей среды. Это открыло путь к печати структур, более сложных, чем те, которые можно было получить только с помощью 3D-печати. Гибкость позволила напечатанным конструкциям формировать новые структуры, характерные для 4D-конструкций. Так, одним из первых пионеров 4D-печати считается Скайлар Тиббитс, которая впервые упомянула об этой новинке еще в 2013 году на конференции TED.

В 2014 году Тиббитс и его команда написали одну из первых научных статей о 4D-печати и объяснили, как SMP можно использовать для изменения формы 3D-печатных объектов. СМП обладают уникальной способностью запоминать временную форму, а затем возвращаться к исходной форме при воздействии тепла, что позволяет точно программировать трансформации. Тиббитс продемонстрировал, как использование СМП в 3D-печати может привести к созданию объектов, способных активно менять свою форму с течением времени. После первой работы Тиббитса многие ученые и инженеры по всему миру начали изучать потенциальные возможности использования и применения 4D-печати.

Первые исследования были направлены на разработку подходящих "умных" материалов, которые можно было бы интегрировать с технологиями аддитивного производства. В тщательных исследованиях изучалось поведение СМП, гидрогелей, чувствительных к влаге, и изменение свойств ЛСЭ под воздействием температуры, света и других подобных факторов. Среди популярных технологий 4D-печати наиболее распространенными были такие, как экструзия материалов, например Моделирование методом наплавленного осаждения При этом материал с низкой температурой плавления выдавливается из сопла в виде различных слоев, а при струйном нанесении материала используется цифровая обработка светом, когда ультрафиолетовый свет используется для отверждения различных полимеров или смол в виде жидких слоев.

Исследователи также использовали струйный 3D-печать для наслоения разнородных "умных" материалов в одной структуре. Тщательно подобрав "умные" материалы и совместив их с подходящими методами печати, ученые смогли изготовить самопреобразующиеся структуры, запрограммированные на изменение под воздействием определенных внешних стимулов.

Эволюция умных материалов

Значительные исследования привели к заметному прогрессу в разработке умных материалов, используемых для 4D-печати. Тем не менее, SMP являются одним из самых популярных примеров умных материалов, которые могут запоминать и воспроизводить временные формы при повышении температуры выше переходной. Более подробные исследования были сосредоточены на составе SMP и параметрах печати, чтобы обеспечить более точное и постоянное изменение формы. Умные гидрогели, основанные на изменении влажности, также были описаны в многочисленных публикациях благодаря своей биосовместимости и склонности проникать в ткани, что делает их подходящими для биомедицинской промышленности в таких приложениях, как тканевые шаблоны и носители лекарств.

Исследования в области быстро реагирующих полимеров позволили создать материалы, которые могут реагировать не только на тепловые стимулы, но и на изменение pH, воздействие света или химической среды. Это расширило возможные триггеры для активации трансформации формы. Жидкокристаллические полимеры и эластомеры, способные ориентироваться вдоль траектории печати, открывают возможности для фотомеханически индуцированного изменения формы. Сплавы с памятью формы, такие как нитинол, которые восстанавливаются при нагревании, оказались полезными в медицинских устройствах и актуаторах, требующих точных, обратимых движений. В последнее время значительная часть работ посвящена биоинспирации, имитирующей поведение, реагирующее на изменения формы, наблюдаемые в природе.

Были созданы материалы, меняющие цвет подобно фототропным движениям растений. Ученые также разрабатывают "умные" молекулы, способные осуществлять преобразования на молекулярном уровне. Достижения в области синтеза материалов теперь позволяют включать индивидуальные функциональные молекулы в печатные краски и полимеры. Исследования также совершенствуют процессы изготовления, позволяющие легко интегрировать комбинации "умных" материалов для мультиреактивного поведения. Эти инновации постоянно расширяют репертуар управляемых стимулами материалов, позволяющих создавать объекты, напечатанные в формате 4D.

Области применения 4D-печати

Технология 4D-печати получила широкое распространение в различных отраслях промышленности благодаря своей способности создавать динамичные, самоизменяющиеся материалы и структуры. Значительные исследования были направлены на использование ее потенциала для создания более совершенных и устойчивых решений в здравоохранении, строительстве, аэрокосмической, автомобильной и экологической отраслях.

Здравоохранение

Сфера здравоохранения является активной областью исследований в области 4D-печати в связи с потребностями в персонализированных медицинских решениях. Имплантаты и протезы, изготовленные с помощью 4D-печати, теперь могут точно адаптироваться к анатомическим особенностям пациентов. Исследователи изготавливают саморасширяющиеся стенты, которые подстраиваются под геометрию сосудов во время минимально инвазивных процедур для лучшего прилегания и комфорта. Динамические протезы меняют форму в зависимости от движений тела, чтобы восстановить естественные движения. В тканевой инженерии применяется 4D-биопечать для создания отзывчивых подмостков, способствующих росту клеток. Конструкции имитируют биофизические сигналы по мере созревания тканей, изменяя механические свойства с течением времени.

В системах доставки лекарств используется 4D-печать на основе гидрогеля для программируемого многоступенчатого высвобождения лекарств в соответствии с терапевтическими потребностями. Датчики отслеживают растворимые факторы и запускают системы доставки для локального воздействия на больные участки. В исследованиях изучаются различные стимулы, такие как температура, свет или химические градиенты для регенерации тканей. Ученые изготавливают хрящевые подмостки, трансформирующиеся в физиологических условиях. В экспериментальных исследованиях имплантируются сердечные пластыри, активирующие изменения кривизны, синхронизирующиеся с естественными движениями сердца. Ученые также разрабатывают нейронные имплантаты, адаптирующиеся к импульсам нейронов для маршрутизации поврежденных сигналов. Проводятся клинические испытания, чтобы оценить жизнеспособность 4D-печати и улучшить результаты.

Строительство

Строительство может значительно выиграть от 4D-печати благодаря адаптивным, самособирающимся структурам. Исследователи разрабатывают структурные решетки, способные к самовосстановлению путем обнаружения мест повреждений и обратимого изменения геометрии. Компоненты здания регулируют внутренний климат с помощью гигромеханических реакций. Готовые модули собираются роботизированным способом прямо на месте, что сокращает сроки строительства. Архитекторы представляют себе реконфигурируемые фасадные системы, ежедневно оптимально располагающие проемы для естественной вентиляции.

Сезонные трансформации регулируют комфорт в помещении круглый год благодаря обратимым термореакциям. Самовосстанавливающийся бетон восстанавливает целостность после растрескивания. Специалисты по инфраструктуре применяют 4D-печать для мостов, которые перераспределяют стрессовые нагрузки, изменяя конструкции после землетрясений. Моделирование оптимизирует использование ресурсов благодаря перепрограммируемым конструкциям. Стандарты развиваются, чтобы сертифицировать долговечность конструкции, устойчивость к нагрузкам и безопасность людей.

Аэрокосмическая промышленность

Аэрокосмическая техника в значительной степени стимулирует инновации в области 4D-печати для создания легких и устойчивых конструкций транспортных средств. Исследователи создают крылья самолетов, автономно изменяющие размах в полете, оптимизируя аэродинамическую подъемную силу без дополнительной массы. Расширяющиеся тепловые экраны, изготовленные для входа в атмосферу космического корабля, защищают хрупкие компоненты от сильного нагрева при трении. Разворачиваемые солнечные батареи, компактно собранные для запуска, гигантски разворачиваются на орбите, чтобы максимизировать выработку энергии на протяжении всего полета. Сложные структуры напоминают сосуды растений, изменяя сосудистую проводимость в соответствии с потребностями кровообращения.

Промышленное партнерство разрабатывает морфинг поверхностей управления на экспериментальных самолетах, реагирующих на динамические условия нагрузки посредством обратимых деформаций. Моделирование проверяет самостабилизирующиеся конструкции самолетов с помощью изменения крутящего момента. Проекты моделируют обратимые спутниковые массивы для удаления орбитального мусора с помощью контактных сил. Исследователи подтверждают преимущества 4D-печати, включая уменьшение сопротивления на 15% и снижение веса на 20% по сравнению с фиксированными конструкциями. Организации, разрабатывающие стандарты, сотрудничают для сертификации летной годности автономных систем, обеспечивая при этом безопасность эксплуатации.

Правила развиваются с учетом адаптивных деталей через анализ конструкции и анализ отказов. Непрерывный прогресс дает возможность использовать адаптивные транспортные средства, увеличивая производительность самолета/космического аппарата и мощность полезной нагрузки в рамках устойчивых, экономически жизнеспособных миссий.

Механика 4D печатных объектов

Возможности трансформации объектов, напечатанных в формате 4D, определяются механикой деформации используемых "умных" материалов. Понимание этих основ позволяет использовать вычислительное моделирование для разработки повторяющихся изменений формы.

Программируемая деформация

Когда в процессах FDM или экструзии получают термопласты, такие как нити PLA, охлаждение быстро ориентирует полимерные цепи вдоль траектории экструзии из-за физических ограничений со стороны окружающего материала. Такая ориентация программирует деформационное поведение. Последующий нагрев выше стеклования снимает ограничения, вызывая анизотропную усадку вдоль охлажденной ориентации.

Исследования оптимизируют эти эффекты с помощью управляемых параметров. Более тонкие слои и более низкие Экструзия температуры вызывают повышенную ориентацию и усадку. При короткой длине сегментов происходит минимальная релаксация, сохраняющая изменения. Более длинные сегменты или повторное нагревание вызывают снятие напряжения, изменяя программирование. Точное регулирование осаждения влияет на пути трансформации, закодированные в анизотропных сетях.

Основные элементы и трансформации

Включение узорчатых базовых элементов приводит к сложным деформациям. Изгиб в плоскости происходит из-за чередования отвержденных/неотвержденных участков. Изгиб вне плоскости возникает в результате наслоения поперечных и параллельных ориентаций. Соединители определяют стабильные промежуточные формы во время трансформаций. Единичные структуры представляют собой минимальные формы для изменения формы. Одиночные линии сжимаются в продольном направлении, одновременно расширяясь в поперечном. Волновые узоры, соединенные с линиями, изгибаются в дуги.

Сборка периодических узоров изменяет глобальную кривизну. Изучение фундаментальных компонентов позволяет моделировать изменение формы с учетом параметров, проводить эксперименты и изготавливать последовательности для достижения целевых деформаций. Характеристика поведения при усадке направляет настройку состава для улучшения контроля. Вычислительное моделирование с применением нелинейного поведения материала воспроизводит самодеформацию. Экспериментальное измерение усадки, зависящей от ориентации, обеспечивает исходные данные для модели.

Итерационные модификации подтверждают предсказания трансформации. Понимание микромасштабных эффектов переносит знания на другие масштабы, помогая разрабатывать макроскопические структуры.

Адаптивные конструкции и материалы

Помимо базовых компонентов, 4D-печать объединяет запрограммированные элементы в сложные адаптивные конструкции, демонстрирующие многофункциональное поведение. Эксперименты и моделирование подтверждают реконфигурируемые конструкции и материалы с новыми свойствами.

Переключаемая жесткость

Исследуя изменения жесткости, ученые строят периодические податливые решетки из базовых шарнирных элементов, соединенных гибкими соединителями. Вычислительный анализ моделирует нелинейный изгиб с большой деформацией внутри соединителей, доминирующий в деформации. Эксперименты подтверждают высокую податливость ниже 1 Н/мм. При нагревании сжимающиеся соединители соприкасаются с жесткими кольцами. Моделирование фиксирует вызванное контактом увеличение жесткости, отражая многоосные реакции на нагрузку. Растяжение/сжатие вызывает 30-100-кратное увеличение за счет растяжения/сжатия в сочетании со сжатием кольца.

Кручение стимулирует 100-кратное увеличение за счет скручивания коннектора, противостоящего вращению кольца. Моделирование подтверждает экспериментальные тенденции, занижая показатели из-за отсутствия пористости. Настраиваемые конструкции устанавливают пороговые значения жесткости, изменяя размеры/материалы коннекторов. Приложения интегрируют реверсивные переключатели в мягких роботов, развертываемые укрытия и кожу датчиков, изменяя чувствительность. Проверка динамики контактов позволяет оптимизировать стабильные конфигурации. Возможности мульти-жесткости расширяют функциональные возможности.

Настраиваемое соотношение Пуассона

Исследуя переключение ауксетичности, исследователи изготовили ре-ентральные сотовые решетки из базовых блоков кагоме, содержащих центральные кольца, соединенные угловыми рычагами. Первоначальные конфигурации демонстрируют ауксетичность при растяжении, измеряемую коэффициентом Пуассона -0,2, что согласуется с результатами моделирования.

Нагревание вызывает сгибание рук, изменяя углы между растянутым и сжатым состояниями. Контакт, заставляющий кольцо сжиматься, активирует положительный коэффициент Пуассона, измеренный как 0,15, что снова подтверждено вычислительно. Демонстрация настраиваемых коэффициентов вдохновляет на создание вакуумной изоляции, регулирующей теплопроводность, или настраиваемых электромагнитных линз.

Развертываемые устройства

Исследуя возможность расширения, исследователи создают цилиндрические стенты из базовых узлов сгибания, включающих регулируемые пассивные/активные слои, определяющие изменение кривизны. Эксперименты демонстрируют контролируемое радиальное расширение, согласующееся с результатами моделирования. Раздвоенная конструкция стента включает в себя тангенциальную развязку, позволяющую вращаться вне плоскости, что моделируется с помощью регулируемых параметров.

Развертывание в моделях артерий изменяет геометрию, сохраняя целостность. Диаметры, превышающие миллиметры, позволяют использовать их в сосудистых системах. Моделирование сложного развертывания позволяет создавать такие конструкции, как быстро развертываемые аварийные убежища или стенты для черепа, минимизирующие инвазивные процедуры. Развертки параметров устанавливают рекомендации по трансформации для различных устройств в разных отраслях. Продолжительное моделирование повышает надежность конструкции и возможности изготовления.

Заключение

4D-печать - это относительно новая технология аддитивного производства, которая расширяет возможности обычных 3D-печатных объектов, позволяя им менять свою форму и действовать в ответ на определенные стимулы в окружающей среде. 4D-печать основана на включении интеллектуальных материалов, реагирующих на стимулы, в процессы производства для создания универсальных функциональных структур и устройств. Как показывают примеры, приведенные в этой статье, она находит широкое применение в здравоохранении, инфраструктуре, транспорте, средствах защиты и многом другом.

Несмотря на значительный прогресс, 4D-печать также сталкивается с такими проблемами, как достижение точного контроля над преобразованиями, разработка передовых "умных" материалов, создание стандартизированных процессов, интеграция "умных" материалов с электроникой и решение проблем, связанных с нормативными требованиями. Продолжающиеся исследования направлены на преодоление этих препятствий путем совершенствования материалов, технологий изготовления и возможностей вычислительного моделирования. Заглядывая в будущее, можно сказать, что весь спектр возможностей 4D-печати еще предстоит раскрыть.

По мере того, как технология будет развиваться, ее применение, скорее всего, распространится по всем отраслям промышленности и будет способствовать прогрессу в таких областях, как регенеративная медицина, восстановление окружающей среды и устойчивая инфраструктура. Благодаря дальнейшим инновациям в сочетании с растущими усилиями по коммерциализации, 4D-печать способна произвести революцию в мировом производстве, создавая динамичные, адаптивные продукты и системы, способные развиваться в соответствии с экологическими и функциональными потребностями.

Вопросы и ответы

В: Какие материалы используются в 4D-печати?

О: К распространенным "умным" материалам относятся полимеры с памятью формы, которые меняют форму под воздействием тепла, гидрогели, реагирующие на влагу, и отзывчивые полимеры, изменяющиеся под воздействием различных факторов, таких как температура, pH, свет. Исследователи также разрабатывают биоинспирированные материалы и интегрируют в них функциональные молекулы.

В: Какие предметы можно напечатать в 3D?

О: С помощью 4D-печати были созданы динамические имплантаты, развертываемые компоненты космических кораблей, адаптивные здания, самоскладывающиеся медицинские устройства, морфинг-протезы, отзывчивый текстиль и многое другое. По мере появления новых "умных" материалов изучаются разнообразные области применения в различных отраслях промышленности.

В: Как это работает?

О: Во время 4D-печати "умные" материалы наносятся в виде узоров, которые кодируют трансформации. При активации локализованные анизотропии вызывают различное сжатие/расширение, предсказуемо изменяя форму. Программирование имеет решающее значение и требует понимания материала и процесса.

В: В чем заключаются его трудности?

О: Разработка передовых материалов, управляемых стимулами, осуществление тонкого контроля над сложными движениями, масштабирование производства, интеграция электроники, обеспечение безопасности, разработка стандартов и регулирование новых приложений - вот основные направления развития перспективной области 4D-печати.