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4D-Druck untergräbt den Lebensstil der Zukunft!

Stellen Sie sich vor, von Spanplatten-Bücherregalen bis hin zu Mehrfamilienhäusern können die Maschinen und Konstruktionen, die wir täglich verwenden, zusammengebaut werden. Keine IKEA-Sechskantschlüssel mehr, keine Kräne, nur 3D-gedruckte Materialien „wissen“, wie man faltet, kräuselt und aushärtet, genau wie Pflanzen in Zeitraffer-Videos wachsen.

Können wir vierdimensionale Objekte drucken?

Technisch gesehen ist alles vierdimensional – laut Physikern ist es tatsächlich 10-dimensional oder höher -, aber wir betrachten hauptsächlich die reale Welt in Bezug auf Länge, Breite und Höhe. Die vierte Dimension, die Zeit, betrachten wir als Feind und werden unser Bestes tun, um ihrem Einfluss zu widerstehen.

Deshalb bauen wir möglichst stabile Wände und Rohre und reparieren sie mit zunehmendem Alter, denn Bauen kostet Zeit, Geld und Energie und wir wollen es nicht immer wieder tun. Aber was ist, wenn die Zeit nicht der Feind ist? Angenommen, eine Struktur kann wie Origami entfaltet werden. Stellen Sie sich vor, ob sich seine Wände aufgrund wechselnder Lasten verbiegen oder verhärten oder ob das erdverlegte Rohr seine Form ändern kann, um sich an sich ändernde Wasserströmungen anzupassen. Oder pumpen Sie Wasser durch die Peristaltik wie das Verdauungssystem. Beim 4D-Druck fällt nichts auf den Stein, es sei denn, Sie möchten.

Wenn Forscher und Hersteller es nutzen können, kann der 4D-Druck unsere gesamte Fertigungsphilosophie verändern. Unternehmen können Bunker, Maschinen und Werkzeuge drucken, flach verpacken und dann dorthin transportieren, wo sie gebraucht werden (vielleicht in Katastrophengebiete) oder sich auf raue Umgebungen wie den Weltraum oder den Meeresboden vorbereiten. Dort können für den Menschen schädliche Umweltbedingungen tatsächlich dazu führen, dass sich die Form und die Eigenschaften von Objekten ändern – nicht nur einmal, sondern wiederholt.

Der Kern ist die grundlegende Physik, Chemie und Geometrie hinter den gewöhnlichsten natürlichen Prozessen. Überlegen Sie, wie sich die Form der Haare bei einem Sturm ändert. Dies ist ein einfaches Problem in der Luft, das dazu führt, dass Keratin einen sehr hohen Prozentsatz an Wasserstoffbrückenbindungen bildet, was dazu führt, dass sie sich zurückfalten, anstatt sich zu dehnen.

Zweidimensionale Geräte erfordern weder Menschen, um sie zu bauen, noch sind sie Roboter, die Mikrochips, Servosysteme und Anker benötigen, um zu funktionieren.

Das Chromat Adrenaline Kleid aus 3D-gedruckten Paneelen verwendet das Curie-Modul von Intel. Was macht es 4-D?

Der Kern des 4-D-Drucks ist das Ergebnis des 3-D-Drucks und der Selbstmontage in einem anderen Grenzgebiet.

Selbstmontage ist genau das, wonach es sich anhört: das spontane Anordnen von Teilen zu einem größeren funktionalen Ganzen. Dieser Bereich ist im Bereich der Nanotechnologie aus zwei sehr guten Gründen sehr beliebt. Erstens hat die Selbstorganisation bereits im Nanobereich stattgefunden und ist die treibende Kraft hinter den Prozessen von der Proteinfaltung bis zur Kristallbildung.

Wenn wir jedoch den Umfang der Selbstmontage im Verhältnis zu den Menschen erhöhen können, können wir aktuelle Produkte billiger und einfacher machen oder neue Technologien entwickeln, die sonst unmöglich wären. Das ist harte Arbeit und oft frustrierend. Selbst unter idealen Umständen müsste es die Montagereihenfolge unterbrechen, programmierbare Teile entwickeln und eine Energiequelle bereitstellen, die Ihre Ausrüstung zum Laufen bringt. Es ist keine schlechte Idee, einige Fehlerkorrekturen einzurichten. Aber im Grunde brauchen Sie die richtigen Werkzeuge und Materialien, um diese Arbeit zu erledigen.

Geben Sie den 3D-Druck ein. Obwohl immer wieder neue Methoden auftauchen, erfordert der 3D-Druck traditionell das wiederholte Aufbringen von genau definierten Polymerschichten auf das Druckbett. Wenn jede neue Schicht aushärtet und mit den darunter liegenden Schichten verschmilzt, erscheint eine dreidimensionale Form. Frühere Modelle können jeweils nur ein Material drucken, aber neuere 3D-Drucker können eine größere Auswahl an Druckmedien verwenden und mit mehr als einem Material gleichzeitig drucken. Für den 4D-Druck ist dies ein wichtiger Durchbruch, da die verschiedenen Materialien es Entwicklern ermöglichen, in Bereichen zu bauen, die sich verhärten, verbiegen oder anschwellen oder auf irgendeine Weise „hoffen“, sich zu falten. Sie können Bereiche haben, die wie Schwämme Wasser absorbieren, oder Bereiche, die bei Lichteinfall Strom erzeugen.

Dies nennt das Self-Assembly Laboratory des MIT programmierbare Materie. Dies ist eine wissenschaftliche, technische und materielle Methode, die sich auf Materie konzentriert, die kodiert werden kann, um sich selbst umzuformen oder ihre Funktion zu ändern. Eine Anwendung programmierbarer Materialien ist der 4-D-Druck.

Variabler Markt

Das Marktforschungsunternehmen Marketsandmarkets prognostizierte in einem Bericht aus dem Jahr 2015, dass der 2025-D-Druck bis 4 eine Branche mit einem Wert von 555.6 Millionen US-Dollar pro Jahr darstellen wird. Der Bericht geht davon aus, dass die 4-D-Technologie kurzfristig kommerzialisiert wird, aber die anfänglichen Fortschritte sind gering (diese Umstellung bringt enorme Geschäftsmöglichkeiten mit sich). Der Bericht erwähnt ausdrücklich die Sektoren Luftfahrt, Verteidigung und Militär, glaubt jedoch, dass auch Branchen wie Automobil, Textil, Gesundheitswesen, Bauwesen und Versorgungsunternehmen potenzielle Early Adopters sind.

4D-Druck untergräbt den Lebensstil der Zukunft!

Programmierbare Dinge: Geometrie ist Schicksal

Skylar Tibbits, Direktor des MIT Self-Assembly Laboratory, und sein Team haben diese Innovation angeführt.

MIT-Forscher sind nicht die einzigen Forscher, die sich mit 4D-Druck beschäftigen, aber das Selbstmontagelabor der Schule war das erste Labor, das Aufmerksamkeit erregte, zum großen Teil dank der TED der Rede seines Chefarchitekten Skylar Tibbits.

Forscher des Labors betraten zuerst die Welt der Selbstmontage, indem sie einfache große selbstgebaute Roboter entwickelten. Als sie feststellten, dass Arbeit und Ausgaben nicht machbar waren, wandten sie sich Formen und Materialien mit eingebauter Logik zu.

2010 schufen sie Logic Matter, eine Reihe ineinandergreifender Formen, die Rechenprobleme nur mit ihren geometrischen Formen lösen können.

Schließlich verwenden Computer elektronische Gatter, die 1 und 0 kombinieren, um zu funktionieren. Diese Gatter verwenden die Boolesche Algebra und die Boolesche Algebra stellt Fragen wie „beide Eingaben sind 1?“. Oder „Geben Sie 1 ein?“ Tibbits Lab stellte auch die gleiche Frage, wobei nur komplexe Polyeder anstelle der üblichen elektrischen Ein-/Aus-Zustände verwendet wurden, die 1 und 0 darstellen. Die Eingabe beinhaltet das Anklicken der Form. Dadurch wird eine neue Konfiguration erstellt, die es ermöglicht, die nächste Form (Ausgabe) nur in Aufwärts- (wahr) oder Abwärts- (falsche) Richtung zu verbinden, um eine Antwort zu liefern.

Die logische Sache ist noch nicht auf die Ebene der Selbstmontage gestiegen – die Teile müssen von Menschenhand zusammengefangen werden –, aber es ist tatsächlich möglich, sie durch Demonstration des Problems aufzubauen. In den Folgejahren wandten sich die Forscher in Selbstbaulaboren zunehmend Gegenständen zu, die ihrem Namen entsprachen: geometrische Formen, die sich beim Rollen oder Schütteln in einem Behälter zusammenfügen, beim Schütteln Ketten in einer bestimmten Form. und viele mehr.

Dies markiert den nächsten wichtigen Schritt: den eingebauten geometrischen Trend mit der zugeführten Energie (oder anderen Umweltfaktoren) zu kombinieren, damit es funktioniert.

Aber was ist dieser geometrische Trend?

Wenn Sie jemals versucht haben, etwas aus Pappe (oder Holz oder Metall) zu machen, dann wissen Sie, dass es einfacher ist, es zu falten, wenn Sie es zuerst punkten. Daher ist das Scoring eine Art Programmierung, eine Möglichkeit, das Material mit größerer Wahrscheinlichkeit so zu verhalten, wie Sie es möchten. Stellen Sie sich nun Materialien vor, die Karton ersetzen, von denen einige Feuchtigkeit aufnehmen und wachsen können, während andere starr bleiben. Werfen Sie es ins Wasser und beobachten Sie, wie sich seine Form ändert. Seien Sie schlau genug, indem Sie falten und rillen, und bevor Sie sich versehen, werden Sie etwas wirklich Besonderes finden.

Aber zuerst brauchen Sie eine genaue Kontrolle über die verwendeten Materialien und wie die Maschine die Materialien platziert. Diese Methode wird in kleinerem Maßstab besser funktionieren. Im kleineren Maßstab wirken sich Energieeinsatz und Materialunterschiede stärker aus. Multi-Material-3D-Druck kann Forschern dabei helfen, die Kontrolle zu haben, die sie brauchen, aber sie brauchen auch die richtigen Materialien.

Selbstfaltendes Origami

Ein Team der Harvard University hat eine Orchidee geschaffen, die Form annimmt, wenn sie in Wasser gelegt wird.

Als Tibbits den Leuten von Stratasys, einem 3D-Druckunternehmen mit Sitz in Minnesota, seine Idee erwähnte, zeigten sie ihm ein Material, das beim Eintauchen in Wasser 150% wachsen kann. Wasser bietet ein vielversprechendes Mittel zur Manipulation von 4D-Objekten, da die Natur Arbeitsmodelle vieler Objekte bereitstellt, die ihre Form ändern, wenn sich die Feuchtigkeit ändert. Wir nennen sie Pflanzen.

Pflanzen weisen zentripetale Eigenschaften auf und wachsen auf bestimmte Weise in Abhängigkeit von Umweltfaktoren wie Sonnenlicht (Phototropismus), Wasser (Wassertropismus), Schwerkraft, chemischen Substanzen (Chemotaxis) und sogar physischem Kontakt (Thixotropie). Pflanzen neigen beispielsweise dazu, sich dem Sonnenlicht zu beugen, weil Sonnenlicht Hormone namens Auxine abtötet und dadurch das Wachstum fördert. Daher wächst die der Sonne abgewandte Seite der Pflanze schneller als die der Sonne zugewandte Seite, wodurch sich die Pflanze dem Licht zuwendet. Mit ein wenig Vorstellungskraft ist es leicht zu erkennen, wie wir die physikalischen Prinzipien, die Materialien, Umwelt und Energie verbinden, auf ähnliche Weise verbiegen.

Angesichts der Inspiration durch Pflanzen für 4D-Druck-Forscher ist es nicht verwunderlich, dass das Harvard-Team 2016 „Orchidee“ produzierte, indem es 4D-gedruckte „Orchideen“ (die in Wasser die gleichnamige Form hat) herstellte. Die Blume wird mit einem Hydrogel-Verbundmaterial bedruckt und dann wie eine Papiertüte Schicht für Schicht durch ein Rohr zum Druckbett transportiert.

Zwei Aspekte des Druckprozesses erklären das Verhalten der Blumen. Die erste ist die Verwendung von Hydrogel, das viel Wasser aufnehmen kann. Die zweite Tatsache ist, dass Verbundmaterialien auch Cellulosefibrillen enthalten – dünne und starke Fasern, die für die Pflanzenstruktur unerlässlich sind. Da Zellulose immer in eine bekannte Richtung fließt, kann das Forschungsteam sie sorgfältig strukturieren, um zu kontrollieren, welche Teile der Blüte anschwellen können und welche Teile starr bleiben, wenn sie Wasser ausgesetzt sind [Quelle: McAlpine].

Zweifellos werden wir im Laufe der Zeit weitere Experimente mit einer Vielzahl anderer Materialien sehen, wie beispielsweise Leitern für flexible und dynamische Schaltungen. Allerdings werden wir wahrscheinlich auch sehen, dass der Begriff „4-D-Druck“ wie die meisten Schlagworte ein Eigenleben hat und sich auf ein breiteres Themenspektrum ausdehnt. Beispielsweise bezeichnet ein Unternehmen namens Nervous System seine neuartige Technologie für den 3D-Druck von Kleidungsstücken (d. h. Kleidung aus Nylonblättern, die durch Gelenke geschickt verbunden sind) als „4-D-Druck“.

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