賓州大學(xué)開發(fā)用于建筑應(yīng)用的4D打印木質(zhì)復(fù)合材料

來源：中國3D打印網(wǎng)

在“設(shè)計(jì)形狀變化：響應(yīng)式建筑的3D打印復(fù)合材料案例研究”中，一組專家介紹了定制零件以優(yōu)化形狀變化行為的細(xì)節(jié)。賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究人員直接進(jìn)入4D打印，他們更全面地研究智能材料以及它們?nèi)绾胃鶕?jù)用戶要求和環(huán)境變化(無論是由于溫度，濕度或其他因素)而變形。

回顧過去關(guān)于建筑系統(tǒng)由于“環(huán)境條件變化”而變得強(qiáng)大的能力的研究，作者受到啟發(fā)，設(shè)想了建筑4D框架的新概念，同時(shí)在這些框架中采用可被視為機(jī)會(huì)的不可預(yù)測性概念學(xué)習(xí)。他們的問題和使命不僅成為如何利用這些能力，而且還成為如何控制它們，因?yàn)樗鼈冃纬闪艘环N獨(dú)特的“水活性建筑皮膚系統(tǒng)”，可以對空氣中的水分產(chǎn)生反應(yīng)。這些材料是3D打印的，基于木材的生物復(fù)合材料。通過自定義設(shè)置，團(tuán)隊(duì)能夠研究材料的行為，并將與之前使用木材的4D實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較。

三維打印雙層復(fù)合材料系統(tǒng)探索框架。

“在木質(zhì)復(fù)合材料的情況下，3D打印能夠設(shè)計(jì)出特定的層狀圖案，從而導(dǎo)致不同的膨脹，然后進(jìn)行形狀變化，”研究人員表示。PLA的六個(gè)3D打印雙層復(fù)合樣品，具有不同的刀具路徑幾何形狀及其對浸入熱水中的響應(yīng)。在設(shè)置3D打印參數(shù)時(shí)，團(tuán)隊(duì)使用Grasshopper的Silkworm插件來自定義G代碼 ，從而不僅在噴嘴上建立控制，而且在打印模式上建立控制。這意味著能夠操縱纖維取向和形狀變化動(dòng)力學(xué)。其他確定的參數(shù)如下：

1、打印層數(shù)
2、圖層高度
3、在雙層配置中訂購活動(dòng)層和約束層
4、控制孔隙度

“我們通過定制G代碼控制的3D打印設(shè)置包括機(jī)床和噴嘴溫度以及3D打印速度。”研究人員表示，“3D打印時(shí)使用的另一個(gè)參數(shù)是使用的細(xì)絲，以及是使用單一材料還是使用多種材料打印物體。”在開始案例研究時(shí)，團(tuán)隊(duì)用PLA 3D打印了一些樣品，以便進(jìn)行比較。下一組“探索”包括使用Laywood，一種由40%木纖維制成的木質(zhì)材料。作者指出，如果存在大量的濕度，用Laywood印刷的樣品的伸長率為106%。活化劑是溫度和濕度，樣品直接暴露的時(shí)間量對應(yīng)于效果水平。

六個(gè)雙層木基生物復(fù)合材料樣品的形狀變化，間隔10分鐘，總持續(xù)時(shí)間為40分鐘。

意識(shí)到孔隙度和印刷角度對活化形狀的影響，研究人員以組合三角形的形式創(chuàng)建了175 x 75mm原型。他們發(fā)現(xiàn)受潮濕的樣品從70分鐘后變形。

水性建筑皮膚的原型設(shè)計(jì)
“為了評估樣品如何在數(shù)小時(shí)而不是幾分鐘內(nèi)改變形狀，我們記錄了原型B在7小時(shí)內(nèi)的形狀變化，”研究人員說。

原型A的形狀變化，間隔10分鐘，B)原型B的形狀變化，間隔2小時(shí)。

在他們的實(shí)驗(yàn)過程中，研究人員發(fā)現(xiàn)他們可以改變孔隙度水平，這使他們能夠控制4D模型。他們還能夠使用研究參數(shù)來控制他們創(chuàng)建的“建筑皮膚”中的透明度。正如之前許多其他研究已經(jīng)注意到的那樣，3D打印將允許制造復(fù)雜的幾何形狀。關(guān)于這個(gè)項(xiàng)目，作者指出，許多其他類型的材料可用于創(chuàng)建建筑皮膚系統(tǒng)。還注意到單一材料原型在受潮時(shí)完全變形，作者建議未來多材料方法可能更成功

“在進(jìn)行的探索中，設(shè)計(jì)決策協(xié)調(diào)幾何之間的相互依賴性， 從工具路徑到整體形式，3D打印設(shè)置和時(shí)間，作為設(shè)計(jì)過程中的附加維度。時(shí)間，這項(xiàng)研究代表了形狀轉(zhuǎn)換，我們認(rèn)為系統(tǒng)的材料探索和計(jì)算使我們在設(shè)計(jì)形狀變化時(shí)更接近控制這種動(dòng)態(tài)行為，“研究人員總結(jié)道。

“我們假設(shè)一旦形狀改變行為正式化，一旦通過系統(tǒng)的材料探索形式化變形行為，就可以將材料智能嵌入到參數(shù)計(jì)算機(jī)模型中。 這構(gòu)成了本研究的下一個(gè)階段，可以使我們在實(shí)現(xiàn)之前探索計(jì)算機(jī)中的設(shè)計(jì)變化。 它還將允許我們創(chuàng)建計(jì)算機(jī)模擬，以評估建筑設(shè)計(jì)在控制氣流，日光和室內(nèi)溫度方面的性能�！�

參與3D打印研究的科學(xué)家們正在全世界努力改進(jìn)和完善使用該技術(shù)的不同方法。 隨著3D打印軟件和硬件不斷取得新進(jìn)展，材料研究成為一個(gè)強(qiáng)大的焦點(diǎn)中心，復(fù)合材料在加工金屬過程中非常受歡迎，從碳納米管復(fù)合材料再到PEEK復(fù)合材料。