3 d打印技术增加了另一个维度

智能材料已经成了我们日常生活的一部分。从新奇杯热变色颜料时改变颜色热饮,光致变色眼镜的镜片,变黑,当太阳出来了,水凝胶,扩大吸收液体一次性尿布和期产品。但这些只是冰山一角的智能材料,可以感知周围的环境信息,然后采取相应的行动,预计在未来实现。

根据最近的一项皇家学会的报告,智能材料包括窗玻璃,孔隙度对湿度变化,服装,适应环境条件和自修复混凝土。“动画材料最终可能产生变革性的影响在生活的所有方面,”该报告的作者写道。

我们是3 d打印然后随时间变化的事情

关键是,这些都不是自治系统组成的复杂的电子设备和机器人。正确的感觉刺激和回应的能力而不是预排程序的设计的一个材料。

印刷的未来

智能材料需要跳许多障碍之前他们可以充分发挥他们的潜力,包括如何最好地对他们进行生产。在过去的十年中,越来越多的研究人员一直在探索潜在的3 d打印机。

使用3 d打印机生产智能材料被称为四维印刷、斯凯拉·蒂比茨的术语,一个建筑师和计算机科学家在美国麻省理工学院,期间TED演讲在2013年。“第四维是时间,”他告诉必威体育 红利账户。我们3 d打印东西,然后随时间变化,重新配置,进化,适应,机构。”

使用3 d印制机智能材料具有许多相同的优势是静态对象,包括能力个性化、定制材料。允许访问类型的材料产生任何其他方式是另一个是不切实际的。”几乎是不可能制造我们的智能材料使用商业制造方法——或者至少是极其乏味,”Jerry气,乔治亚理工学院的机械工程师在美国。

这也便于制造加速创新。”以前,一旦你设计了一个智能材料,那么你必须找出如何制作它,可能需要你半年来实现,”齐说。现在研究人员可以在数小时内拿到一个新的原型而不是几个月的设计。

印刷的生活方式的产品

它仍然处于初期阶段的4 d印刷和还没有使用这种方式制作的智能材料在商业使用,虽然许多原型开发。Tibbits之一的早期设计4 d印刷的鞋。他的团队聚合物油墨的印刷过程模式到一块拉伸的织物。拉伸的织物被释放后,立即跳起来到2 d形状三维形状。Tibbits解释说这是一个玩偶盒效果,。他也用同样的技巧产生4 d印刷餐桌的原型设计为扁平,然后立刻涌现到3 d形状一旦打开。这个表的墨水组成的聚合物和锯末被印到织物上。

我们可以在大规模印刷高质量的产品,超级快

Tibbits集团还创建了一个四维印刷弹性,充气硅胶原型材料可协调的刚度与汽车制造商宝马。智能材料改变形状,以应对空气注入它的数量。与宝马,我们在看未来的汽车内饰和调查材料如何演变和变换基于压差在车里,“Tibbits说。潜在的使用在汽车座椅,使他们成为软或困难,或提供更大的腰椎的支持,而不需要复杂的力学机制,他补充道。

使其气动材料,Tibbits小组开发了一种新型的3 d打印技术快速液体印刷。与大多数3 d印刷方法,快速液体印刷一层一层地不建立对象。相反,液体printedinto坦克3 d对象包含一个凝胶,暂停该对象不受重力。墨水包含聚合物相结合,快速固化或暴露在紫外线。快速液体印刷克服一些3 d打印技术固有的缺点,即大小限制和速度慢,Tibbits说。我们可以在大规模印刷高质量的产品,超级快。该集团目前正在使用这个印刷各种智能材料的方法。

下一代支架

与Tibbits,关注4 d印刷方法生产生活方式的产品,其他许多研究人员支持这项技术是专注于潜在的生物医学应用。

使用3 d打印机生产个性化的静态对象已经成为建立医疗保健。例子包括个性化数字助听器适合耳朵或软earmoulds耳背式艾滋病;3 d模型的器官和其他身体部位练习复杂的外科手术;组件的假肢,完全匹配一个人的解剖;和低成本定制植入物,如下颚,臀部和头骨。

设备可以改变形状一次体内也已经在使用,但他们都是使用传统的制造方法。可部署的支架,例如,用于治疗心脏病和心绞痛自1990年代。这些圆柱体的可扩展的金属网被引导穿过病人的血管而倒塌在一个气球的窄线。一旦进入正确的位置,气球充气,这样网格扩展以适应血管壁。

生物工程师Amir Zadpoor教授和他的团队在荷兰代尔夫特科技大学的希望4 d印刷让下一代可部署的支架。目标是产生一个智能聚合物支架,self-expands体温,因此消除balloon-inflation系统的必要性。Zadpoor的支架可以作为标准化的大小或个性化对于复杂场景,包括在连接两个血管分叉。

4 d圆柱体,集团建立了一个附加组件连接到一个商用熔丝沉积造型(FDM)打印机。附加像擀面杖和旋转在印刷。当一个对象被印在一个旋转曲面,而不是一个静态的平面,它面向层的不同,影响其变形行为。现在的气缸直径扩大而不是长度,Zadpoor解释道。

折纸组织支架

Zadpoor集团是也希望使用4 d印刷生产新一代的组织工程支架。这些结构支架植入患者促进骨再生,肌肉、神经等组织原位。3 d打印技术已经被证明是一个非常有效的工具,生产个性化的、高度多孔金属晶格。

一旦触发物质,进入所需的三维形状

4 d印刷提供了额外的好处让金属晶格内的表面毛孔functionalised, Zadpoor说,不能使用传统的制造方法。我们可以用非常小的装饰这些表面的几何特性,我们称之为nanopatterns,”他解释说。betway必威游戏下载大全nanopatterns直接细胞成为成骨细胞并采取行动减少细菌生长。这些小的峰值可以像刀和渗透细菌和机械的方式杀死他们,他们还可以调节免疫细胞杀灭细菌的行为,“Zadpoor补充道。

一个FDM打印机用来打印二维层状结构,在拉伸时自发折叠成一个3 d对象。现代风格是纳入这种材料[设计],这样一旦你使用刺激触发它,它进入所需的三维形状,“Zadpoor说。与支架,这些支架是用来改变形状在制造过程中,而不是在体内。

修补一颗破碎的心

在华盛顿特区的乔治华盛顿大学,生物工程师张格蕾丝和她的小组也使用4 d印刷使工具能够支持在体内组织再生。4 d印刷心脏补丁,修复心肌损伤引起的心脏病,是他们的努力之一。心跳的节奏是由心肌细胞,或心肌细胞,它一直被认为可以修复受损心脏用实验室培养的心肌细胞,但整合有效地已经被证明是一个重大的挑战。当心脏跳动真的很难保持长期细胞(期望)的位置,”张解释道。

她的小组的4 d心脏补丁被预心肌细胞心脏表面的安全。他们由gelatine-based墨水使用定制stereolithography3Dprinter andprinted。明胶是一种水解的胶原蛋白,一个高度丰富的蛋白质在体内,作为细胞支架。通过adjusting the degree of cross-linking in the different sections of its design, the patches are designed to reversibly change structure upon stretching so that they can expand and contract along with the heart. ‘We design the patches so that they can perfectly attach without any glue over,’ Zhang explains.

第一代心脏补丁已经在小鼠诱导心脏损伤进行测试。张组放置4 d印刷补丁装载实验室培养的心肌细胞在小鼠和发现他们仍然和支持心肌形成四个月后。

第二代4 d印刷心脏补丁也在发展,能力self-curl,当由近红外光线,也被预排程序的交叉连接模式。这种卷曲机制将进一步提高补丁控制到心脏表面的能力,张解释道。

4 d印刷外科医生

机械工程师Xuanhe赵在麻省理工学院的教授和他的团队在美国,与此同时,正在应用4 d印刷中风治疗。研究人员正在致力于改善血栓切除术,一个常见的中风——携带药物治疗,一根细导线,打破血块或设备,或吸出血块,插入血管的腿,然后手动引导,借助实时x射线成像,通过身体,直到达到堵塞。

4 d印制导线可以简化这个过程指导,赵说。他的团队的电线设计他的线改变形状,因此方向,以回应一个磁场。磁铁在外面的身体可以用来直接连接通过血管。程序甚至可以远程控制使用操纵杆,减少外科医生的辐射,赵说。我们前进向临床应用和FDA批准的中风机器人,”他补充道。

电线,赵设计了电磁插件,坐在旁边的喷嘴商用FDM 3 d打印机。墨水是一种柔软的聚合物含有铁磁微粒均匀分散,而永久保留在暴露于磁场磁性。在印刷过程中,电磁铁magnetises并对齐铁磁微粒的墨水。

赵集团此前使用相同的插件创建一个各种各样的2 d模式,折叠成复杂的三维形状的控制下手持磁铁。与4 d印刷你计划这些磁软件机器人到非常复杂的结构来实现许多功能,”赵说。

基本的进步

不是每个人都工作在4 d印刷目前应用程序;许多人努力实现基本向前进步,然后其他人可以把应用程序。气和佐治亚理工学院组织的努力与多层次的4 d印刷材料复合形状记忆聚合物。研究人员使用两种聚合物不匹配的极性和严格控制每一层内空间分布。这意味着当材料浸泡在水中或丙酮,聚合物膨胀超过另一个材料弯曲在一个非常精确的方式。

制造过程可以在不到一分钟

他们使用的打印机这个工作是一个定制的数字光处理(DLP)风格的3 d打印机。在DLP打印机,树脂是使用快速治愈光触发聚合,这使得它们速度远远超过FDM打印机,气解释道。他最近还开发了一个机器学习模型消除了需要材料的试验和错误的模式设计。气可以快速、准确地生成复合材料模式基础上的手绘图所需的最终产品的形状。

高分子化学家陶谢教授和他的团队在杭州的浙江大学,中国,也使用一个定制的DLP 3 d打印机包含多个聚合物的智能材料。这是一个模块化的过程有不同的聚合物在每个模块。3 d模块印刷图案的2 d电影。的制造工艺可以在不到一分钟,”谢说。该模式是预排程序的两个不同的目的服务。首先,它指导2 d影片的转换成3 d对象,因为它干。第二,它允许3 d对象改变形状时暴露于环境触发。

创建更复杂的变形材料,3 d模块堆在一起,加热到永久融合在一起。就像乐高积木,谢国忠表示,并补充道,这种模块化的方法4 d印刷大大扩展了结构复杂性可能变形材料。智能模块化材料集团创造了到目前为止包括三层圆筒变形控制的方式加热。

4 d印刷技术迅速发展,概念以来,允许快速成型的各种变形材料,但仍有障碍需要克服之前使用它成为主流,它能够产生智能材料在商业规模。

标准化,根据Tibbits,就是这样的一个问题。如果我们看4 d印刷领域,每个人的做法不一样的;他们都有不同的材料、机器和软件,以不同的方式和他们所有的测试系统,”他说。为了确保安全性和可靠性,社会需要想出一套共同的标准测试和分析这些智能材料,他解释说。

最大的挑战4 d印刷材料,然而,可能是心态之一:如何将活动集成到一个世界,它的材料是静态的。“通常情况下,工程试图让不改变形状的结构和桥梁——大多数材料要有超级稳定不动,“Tibbits说。这是完全相反的方向,旨在尽可能积极的使用材料,我们不习惯。”

尼娜Notman位于索尔兹伯里的科学作家,英国