4 Boyutlu Baskı Nasıl Çalışır? Giriş

Başka bir deyişle, dört boyutlu nesneleri basabilseydik ne olurdu?

Tamam, elbette, teknik olarak her şey dört boyutlu - aslında fizikçilere göre 10 veya daha fazla boyutlu - ama biz esas olarak inşa edilmiş dünyayı uzunluk, genişlik ve yükseklik açısından düşünüyoruz. Dördüncü boyut, zaman, düşman olarak gördüğümüz, etkilerine direnmek için elimizden gelenin en iyisini yaptığımız (uzmanlar, beşinci boyutun "Alacakaranlık Kuşağı" mı yoksa "Kova Çağı" nı söyleyen grup mu olduğu konusunda ikiye bölünmüş durumda.) .

Ve bu yüzden yapabildiğimiz kadar sağlam duvarlar ve borular inşa ediyoruz - ve eskidikçe onları onarmaya devam ediyoruz - çünkü inşaat zaman, para ve çaba gerektiriyor ve bunu tekrar tekrar yapmak istemiyoruz. Peki ya zaman düşman değilse? Origami gibi bir yapının kendini açabileceğini varsayalım. Değişen yüklere tepki olarak duvarlarının bükülebileceğini veya sertleşip sertleşemeyeceğini veya gömülü bir borunun farklı su akışlarına uyum sağlamak için şeklini değiştirip değiştiremeyeceğini veya sindirim sisteminiz gibi peristalsis yoluyla su pompalayabileceğini hayal edin. 4 boyutlu baskı sayesinde, siz istemedikçe hiçbir şey sabit değildir.

Araştırmacılar ve üreticiler onu çalıştırabilirse, 4-D baskı tüm üretim fikrimizi değiştirebilir. Şirketler, barınakları, makineleri ve araçları yazdırabilir, ardından bunları düz bir şekilde paketleyebilir ve gerektiğinde gönderebilir - belki de afet bölgeleri veya onları uzay veya okyanus tabanı gibi düşmanca ortamlara hazırlayabilir. Orada, insanlara zararlı çevresel koşullar, nesnenin şekil ve özelliklerinde meydana gelen değişikliklere aslında sadece bir kez değil, defalarca güç verebilir.

Hepsinin merkezinde, en sıradan doğal süreçlerin arkasında yatan temel fizik, kimya ve geometri yatıyor. Bir fırtına yaklaştıkça saçınızın nasıl şekil değiştirdiğini düşünün, basit bir havada asılı su meselesi, keratin proteinlerinin alışılmadık derecede yüksek oranda hidrojen bağları oluşturmasına neden olur, bu da onların uzanmak yerine geri katlanmalarına neden olur [kaynak: Stromberg ]. Ya da düz, şişirilebilir bir sandalyenin hava alırken nasıl öngörülebilir bir şekil aldığını düşünün, çünkü bölümleri farklı özelliklere sahiptir.

Dört boyutlu cihazlar, insanların inşa etmesini gerektirmediği gibi, çalışmak için mikroçiplere, servolara ve armatürlere ihtiyaç duyan robotlar da değildir. Tek "programlamaları" yapılarında gömülü olan geometri, fizik ve kimyayı içerir.

1. Boyut Ekleme
2. Programlanabilir Konu: Geometri Kaderdir
3. Kendinden katlanan Origami
4. 4-D'nin Geleceğini Açmak

Özünde, 4-D baskı, 3-D baskı ile başka bir son teknoloji alan, kendi kendine montajın bir kombinasyonudur .

Kendi kendine montaj, tam olarak göründüğü gibidir - parçaların kendiliğinden daha büyük, işlevsel bir bütün halinde sıralanması. Alan, nanoteknoloji çevrelerinde iki çok iyi nedenden dolayı popülerdir . Birincisi, kendi kendine birleşme zaten nano ölçekte gerçekleşir ve protein katlanmasından kristal oluşumuna [kaynak: Boncheva ve Whitesides ] kadar uzanan süreçlerin arkasındaki itici gücü sağlar . İkincisi, molekül büyüklüğünde bir makine yapabilecek çekiçler, anahtarlar ve tornavidalarımız yok. Kendi başına yapması gerekiyor.

Ancak kendi kendine montajı insan oranlarına yükseltebilirsek, mevcut ürünleri daha ucuz ve daha basit hale getirmemize veya başka türlü imkansız yeni teknolojiler yaratmamıza izin verebilir [kaynak: Boncheva ve Whitesides ]. Özenli ve çoğu zaman sinir bozucu bir iştir. İdeal koşullar altında bile, bir montaj sırasını parçalamayı, programlanabilir parçalar geliştirmeyi ve mekanizmanızı çalıştıracak bir enerji kaynağı bulmayı gerektirir. Bazı hata düzeltmelerinde inşa etmek de kötü bir fikir değildir [kaynak: Tibbits ]. Esas olarak, iş için doğru araçlara ve malzemelere ihtiyacınız var.

3-D baskıya girin . Yeni yaklaşımlar ortaya çıkmaya devam etse de, geleneksel olarak, 3-D baskı, dikkatlice tanımlanmış polimer katmanlarının bir baskı yatağına defalarca serilmesini gerektirmiştir. Her yeni katman sertleşip altındakilerle kaynaştıkça üç boyutlu bir şekil ortaya çıkar. İlk modeller bir seferde yalnızca bir malzemeyle baskı yapabiliyordu, ancak daha yeni 3-D yazıcılar daha geniş bir baskı ortamı dizisine ve aynı anda birden fazla malzemeyle baskı yapılmasına izin veriyor. Bu, 4-D baskı için önemli bir buluş, çünkü değişen malzemeler, geliştiricilerin sertleşen, esneyen veya kabaran veya belirli şekillerde "katlanmak isteyen" alanlarda inşa etmelerine izin veriyor. Sünger gibi suyu emen veya ışığa maruz kaldıklarında elektrik akımı üreten bölgeleri olabilir. Gökyüzü, sen 'sürece sınırdırDoğru geometride inşa ettik.

Bu, MIT'deki Kendi Kendini Birleştirme Laboratuvarı'nın programlanabilir madde olarak adlandırdığı şeydir - kendini yeniden şekillendirmek veya işlevini değiştirmek için kodlanabilen maddeye odaklanan bilim, mühendislik ve malzemelere bir yaklaşım. Programlanabilir maddenin bir uygulaması 4-D baskıdır [kaynak: MIT ].

Değişkenlik Pazarı

Pazar araştırma şirketi Marketsandmarkets tarafından hazırlanan bir 2015 raporu, 4 boyutlu baskının 2025 yılına kadar yıllık 555,6 milyon dolarlık bir sektör oluşturacağını öngörüyordu. Rapor, 4 boyutlu teknolojinin kısa vadede ticarileşme göreceğini, ancak yalnızca orta düzeyde bir yüksek başlangıç ​​maliyeti). Erken benimseyenlere gelince, rapor havacılık, savunma ve askeri sektörleri seçti, ancak otomotiv, tekstil, sağlık hizmetleri, inşaat ve kamu hizmetleri gibi endüstrileri de potansiyel erken benimseyenler olarak gördü [kaynak: Halterman ].

MIT araştırmacıları 4 boyutlu baskı üzerinde çalışan tek araştırmacılar değil, aynı zamanda okulun Kendi Kendini Birleştirme Laboratuvarı, büyük ölçüde müdürü mimar Skylar Tibbits'in TED konuşmaları sayesinde en erken sıçramayı yapan laboratuvar oldu.

Laboratuvar araştırmacıları ilk olarak basit, büyük ölçekli, kendi kendini inşa eden robotlar yaratarak kendi kendine montaj dünyasına girdiler. İşçilik ve masrafı işe yaramaz bulduklarında, içlerine yerleştirilmiş mantıkla şekiller ve malzemeler yapmaya yöneldiler.

2010 yılında, yalnızca geometrilerini kullanarak hesaplama sorunlarını çözebilecek bir dizi birbirine kenetlenen şekil olan Logic Matter'ı yarattılar.

En basit haline indirgenmiş bir bilgisayar, 1'leri ve 0ları birleştiren ve doğru veya yanlış yanıt veren elektronik kapılar kullanarak çalışır. Bu kapılar , Boole cebirini kullanır ve "her iki giriş 1 de mi?" veya "giriş 1 mi?" Tibbits laboratuvarı aynı soruları sordu, ancak 1'ler ve 0'ları temsil eden normal elektrik açma / kapama durumları yerine karmaşık polihedronlar kullandı. Giriş, şekillerin yerine yerleştirilmesini içerir. Bu, bir sonraki şeklin - çıktının - yalnızca yukarı (doğru) veya aşağı doğru (yanlış) yönde eklenmesine izin vererek yanıtı sağlayan yeni bir konfigürasyon yarattı.

Mantık Meselesi, kendi kendine bir araya gelme düzeyine yükselmedi - parçalar, onları bir araya getirmek için insan ellerine ihtiyaç duyuyordu - ancak maddenin içinde yerleşik talimatlara sahip olabileceğini göstererek bu yönde önemli bir ilk adımı oluşturdu [kaynak: Tibbits ]. Takip eden yıllar içinde, Kendi Kendini Birleştirme Laboratuvarı'ndan araştırmacılar, adlarına daha çok uyan öğelere gittiler: bir kapta yuvarlandığında veya çalkalandığında birleşecek geometrik şekiller, sallandığında belirli şekiller alan zincirler vb.

Bu, bir sonraki önemli adımı işaret ediyordu: Yerleşik bir geometrik eğilimi, onu vitese geçirmek için bir enerji girdisi (veya başka bir çevresel faktör) ile birleştirmek.

Peki bu geometrik eğilim nedir? Eğer kartondan (veya ahşap veya metalden) bir şey yapmayı denediyseniz, önce puanlarsanız daha kolay katlanacağını bilirsiniz. Öyleyse puanlama, bir tür programlama, malzemenin istediğiniz şekilde davranma olasılığını artırmanın bir yoludur. Şimdi, karton yerine, bir kısmı suyu emip büyürken diğerleri sert kalabilen bir malzeme kombinasyonu hayal edin. Suya atın ve şeklinin değişmesini izleyin. Katlamalarınız ve puanlarınız konusunda yeterince akıllı olun ve bunu bilmeden önce gerçekten özel bir şeye sahip olursunuz.

Ama önce, kullandığınız malzemeler ve makinenizin onları yerleştirdiği model üzerinde çok fazla hassas kontrole ihtiyacınız var. Ve bu yaklaşım, enerji girdilerinin ve malzeme farklılıklarının daha büyük etkiye sahip olabileceği daha küçük ölçeklerde daha iyi çalışacaktır. Çok malzemeli 3 boyutlu baskı, kontrol araştırmacılarının ihtiyaç duyduğu şeyleri sağlamaya yardımcı oldu, ancak aynı zamanda doğru malzemelere de ihtiyaçları vardı.

Tibbits, Minnesota merkezli bir 3-D baskı şirketi olan Stratasys'deki insanlara fikrinden bahsettiğinde, ona suya batırıldığında yüzde 150 büyüyebilen bir malzeme gösterdiler. Doğa, neme tepki olarak şekil değiştiren çok sayıda çalışan nesne modeli sağladığından, su, 4 boyutlu nesneleri manipüle etmek için umut verici bir yol sunar. Onlara bitki diyoruz.

Bitkiler sergileyen tropizmler , eğilimler böyle güneş ışığı (Fototropizma) gibi çevresel faktörlere göre belli şekillerde, su (hydrotropism), yerçekimi (Gravitropizma), kimyasallar (Kemotropizma) ve hatta fiziksel temas (thigmotropism) büyümeye. Örneğin, bitkiler güneş ışığına doğru eğilme eğilimindedir çünkü güneş ışığı, büyümeyi teşvik eden oksin adı verilen hormonları öldürür. Sonuç olarak, bir bitkinin güneşe bakan tarafı, ona bakan tarafına göre daha hızlı büyür ve bitkinin ışığa doğru eğilmesine neden olur. Biraz hayal gücüyle, teklifimizi yerine getirmek için malzemeleri, ortamları ve enerjiyi birbirine bağlayan fiziği benzer şekilde nasıl bükebileceğimizi görmek kolaydır.

Bitkilerin 4 Boyutlu baskı araştırmacılarına sağladığı ilham düşünüldüğünde, bir Harvard ekibinin 2016'da suya konulduğunda adaşının şeklini alan 4 Boyutlu baskılı bir "orkide" oluşturarak haber yapması şaşırtıcı değildir. Çiçek, baskı yatağına bir pasta poşetinden krema gibi katman katman borulu bir hidrojel kompozit kullanılarak basıldı [kaynak: McAlpine ].

Baskı işleminin iki yönü çiçeğin davranışını açıklar. Birincisi, büyük miktarlarda suyu emebilen hidrojel kullanımıdır. İkincisi, kompozitin ayrıca selüloz fibriller içermesidir - bitki yapısı için gerekli olan küçük, güçlü lifler. Selüloz her zaman bilinen bir yönde aktığı için ekip, çiçeğin hangi kısımlarının şişebileceğini ve suya maruz kaldıktan sonra hangi kısımlarının sert kalacağını kontrol etmek için dikkatli bir şekilde onu modelleyebilirdi [kaynak: McAlpine ].

Şüphesiz, zaman geçtikçe, esnek ve dinamik elektrik devreleri için iletkenler gibi çeşitli başka malzemeleri kullanan daha birçok deney göreceğiz . Ancak, çoğu moda sözcük gibi 4-D baskı teriminin de kendi başına bir yaşam sürdüğünü ve daha geniş bir konu dizisini kapsayacak şekilde genişlediğini muhtemelen göreceğiz. Örneğin, Nervous System adlı bir şirket, "4-D baskı" [kaynak: Rosencranz ] olarak, eklemlerle birbirine bağlanan akıllıca düzenlenmiş naylon yapraklardan giysiler oluşturan yeni 3-D baskı giysisi tekniğini açıklıyor .

Diğer birkaç olası 4 boyutlu geleceğe bakalım.

Sanat olup olmadığını bilmiyorum ama giyerdim

Sinir Sisteminin elbisesi , bazen hareket geometrisi olarak adlandırılan kinematik kullanılarak tasarlandı . Şirket, çok sayıda hesaplama ve bazı akıllı tasarımlarla on binlerce sert, birbirine kenetlenen parçadan esnek giysiler üretebildi. Modern Sanat Müzesi, kalıcı koleksiyonu [kaynak: Rosencranz ] için elbiseyi ve onu yaratmak için kullanılan yazılımı satın aldı .

Nanomakineler dünyası, kendi kendine montaj yolunda bir avantaja sahiptir, çünkü kısmen doğadan kendi kendine monte edilen, nadiren hata yapan ve gerektiğinde kendi kendini onaran verimli, karmaşık tasarım örneklerinden yararlanabildiği için. Bu ilkeleri insan ölçeğine taşımanın zor olduğu kanıtlandı, ancak işe yararsa, olasılıklar etkileyici - Harvard Üniversitesi, Pittsburgh Üniversitesi ve Illinois Üniversitesi arasında 855.000 doları finanse etmek için zaten paylaşan ABD Ordusu için kaybolmamış bir gerçek. Kendi kendini inşa eden köprüler ve barınaklar [kaynak: Campbell-Dollaghan ] gibi askeri uygulamaların araştırılması .

Moda ve mobilyaların yeni bir teknolojiyi tanıtmak için eğlenceli ve karlı bir yol sağlayabileceğinden daha önce bahsetmiştik ve tek bir boyutun her şeye uymadığı gerçeği göz önüne alındığında, bu tür uygulamalar için olgunlaşmış bir sektördür. Yakında komuta göre değişen desenleri - veya etek çizgilerini - görebilirdik.

Asıl nokta, 3 boyutlu ve 4 boyutlu baskının cazibesinin çoğu esnekliğinde yatıyor. 3-D bilgisayar modelleme yoluyla, bir şirket bir elbiseyi veya ayakkabıyı, herhangi bir kesim veya dikiş işlemi yapmadan, kapıdan çıkar çıkmaz herhangi bir vücuda uyacak şekilde özelleştirebilir ve tek seferlik olarak yazdırabilir [kaynak: Rosencranz ]. 4 boyutlu malzemeler ve geometri kullanılarak giysi, esneme ve gerilme kuvvetlerine tepki olarak kendi kendini ayarlayabilir. Örneğin bir koşu ayakkabısı, bir tenis maçının stresini algılarken yanal destek ve denge sağlamak için sertleşebilir.

BMW halihazırda 4 boyutlu tasarımları "Canlı Geometri" olarak adlandırdıkları şekilde birleştiren bir konsept otomobil gösterdi. Değişen sürüş koşullarını idare etmek için şeklini değiştirebilecek iç veya dış bileşenleri resmedin. Otomobilin dışında 4-D paneller, aerodinamik verimliliği en üst düzeye çıkarmak için sıcaklık, hava akışı, direksiyon veya sensör girişine göre ayarlanabilir . Lastikler ve frenler de yol koşullarına göre değişebilir [kaynak: Vijayenthiran ].

Gelecekte, biyomimetik ve 4-D baskı bir araya geldikçe, vücudumuza göre uyarlanmış tıbbi cihazları ve hatta çevrelerine yanıt veren vücut büyütmelerini görebilirdik [kaynak: Grunewald ]. İşte buna kişiselleştirilmiş tıp diyoruz.

Tabii ki, 4-D baskı tam potansiyeline ulaşmadan önce çok sayıda sınırlamanın üstesinden gelmek zorunda kalacak. Birincisi, süreç zaten şimdilik çok, çok yavaş kalıyor. Ve geometriye olan bağımlılığı, yapabilecekleri açısından onu bir şekilde sınırlar, ancak bu muhtemelen geçici bir engeldir. Eğilmeye zorlanan herhangi bir malzemeye etki eden gerilmeler veya bu tür geometri tarafından muhtemelen ortaya çıkan kırılma noktaları, potansiyel olarak daha ciddidir. Dahası, bazı durumlarda, 4-D malzemeler değişmeden güçlük çekerler - eskisine geri dönmek yerine yeni formlarında kalırlar veya tasarlandığı gibi durumlar arasında geçiş yapamazlar [kaynak: Wassmer ].

4-D baskının bir heves mi, bir merak mı yoksa bir sonraki büyük şey mi oluşturduğuna gelince, sadece zaman - uygun şekilde - söyleyecektir.

3-D Baskı Hız Artırıyor

3 boyutlu yazıcılarla ilgili temel sorunlardan biri yavaş olmalarıdır. Ancak Carbon3D tarafından 2015 TED konferansında başlatılan yeni bir teknoloji, teknolojiyi daha yüksek vitese çıkarmış olabilir. Kuzen yazıcılarının çoğu tarafından kullanılan katkı yaklaşımı yerine, yüksek hızlı kristal büyümesini andıran bir süreçte, nesneleri bir reçine banyosundan çekerken büyütmek için oksijen ve ışık kullanır [kaynak: DelViscio ].

Yazarın Notu: 4 Boyutlu Baskı Nasıl Çalışır?

4-D baskı henüz erken aşamalarında kalıyor - ilgili fikirlerin bir koleksiyonunu pazarlamanın akıllıca bir yolundan daha fazlası olup olmadığını bilmek için kesinlikle çok erken, pratik hale getirilip getirilemeyeceğini bir kenara bırakın. Ama bu tür şeyler üzerine bahis insanların türlü birkaç vardır neden bunu bahis ve? Yapabileceği lanse edildiğinin bir kısmını yapabilirse, yerlere gidecektir. Sadece birkaç on yılda 3 boyutlu baskının ne kadar ilerlediğine bir bakın.

Yine de, bu makro ölçekli kendi kendini birleştirme teknolojilerinin ne kadar hızlı çalışabileceğinin bir sınırı olup olmadığını merak etmek gerekiyor. Malzemeyi radikal bir şekilde değiştirmek zorunda kalmadan, bir malzemenin büyüyebileceği, kıvrılabileceği, bükülebileceği veya sadece çarpabileceği çok hızlı vardır. Sonra yine, belirli bir sisteme sıkışan yeterli enerji, malzemelerin gerilimi kaldırabileceğini varsayarak, bu tür herhangi bir sorunun üstesinden gelebilir.

İlgili Makaleler

Daha Harika Bağlantılar