研究

3D打印的未来在另一个维度

4D打印是一种方法创造了什么是可能的3D打印机的边界。

这个术语是最先被创造出来的由Skylar Tibbits做的TED演讲他是麻省理工学院(MIT)建筑学副教授。

简单地说,该方法使用3D打印来制作一个物体的平面地图。当这张地图暴露在环境变化,如热或潮湿,它会转变成一个新的,预先确定的3D形状。

自组装的4D打印从苏黎世联邦理工学院。剪辑通过工程设计与计算实验室在YouTube上

3D打印,扁平包装的未来

典型的4D对象的例子包括自建平面包家具,和水激活脚手架。

目前,这项技术预计将在建筑和建筑领域产生最大的影响。但是,作为全球研究的一个热门话题,研究继续重新构想可以使用4D打印的物体。

当浸入热水时,扁平的星星形状会卷曲成一个圆顶。Rob Felt/佐治亚理工学院
当浸入热水时,扁平的星星形状会卷曲成一个圆顶。Rob Felt/佐治亚理工学院

除了自组装物品的明显好处外,研究还表明,4D打印可以显著减少制造物品所需的材料数量。

乔治亚理工学院领导的一项研究4D打印的圆顶,如果传统的3D打印,通常会使用多达8倍的材料,并需要8倍的时间来制作。

另一项在新加坡3D打印中心进行的研究演示了一个4D打印的巴克球,完全免费支持。

由新加坡3D打印中心、南洋理工大学机械与航空航天工程学院和新加坡制造技术研究所共同研究的3D打印巴克球的自组装过程。图像通过材料和设计。
激活阶段的支持免费4D打印巴基球。图像通过材料和设计。

由于有可能极大地影响物体的设计和制造方式,首尔国立大学(SNU)的一项新研究提出了4D打印路线图,以评估其在未来的作用。

l在工程学上有无限的机会

首尔大学的Won-Shik Chu等人讨论了4D打印作为一种“自下而上”的策略,与传统3D打印的“自上而下”方法不同。

通过对材料进行编程,使其具有自组装所需的结构,Chu等人断言,这种自下而上的策略是可行的无限的创新机会”。在这种情况下,创新适用于广泛的制造技术,如下图所示。

把它推到极限。目前的制造技术能力。图片来自国际精密工程和制造绿色技术杂志
把它推到极限。目前的制造技术能力。图片来自国际精密工程和制造绿色技术杂志

这四个条件

虽然指定的制造技术有扩展到4D的潜力,主流集成依赖于4个条件:

  • 首先“系统、深入对材料相关特性的理解"
  • 第二,更好地理解制造技术,以及如何放大或缩小它们。
  • 第三,可以用来读取物体的原子和分子结构的技术的改进。
  • 最后,开发功能强大的仿真工具,可以准确地探索所有三个变量的变化。

一个概念性的合金

这四个条件构成了Chu等人在整个研究中所做的投影的基础,包括金属4D打印的概念论证。

把它托付给原子。4D金属合金的概念原子结构。图片来自国际精密工程和制造绿色技术杂志
把它托付给原子。4D金属合金的概念原子结构。图片来自国际精密工程和制造绿色技术杂志

上图展示了4D可打印金属合金的结构。

在这个概念中,通过精确规划合金原子的位置,自组装将成为可能。它有潜力通过亚微米3D打印的进一步发展来实现维也纳工业大学的铅笔尖城堡。

进一步的阅读

朱棣文等人的更多见解可以在一篇名为从3D到4D打印-多功能多材料的设计,材料和制造。

作者是朱元植、瓦沙·卡雷、桑吉夫·桑卡里亚、李吉勇、安成勋国际精密工程与制造-绿色技术。

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