賓州大學開發(fā)用于建筑應用的4D打印木質復合材料

來源：中國3D打印網

在“設計形狀變化：響應式建筑的3D打印復合材料案例研究”中，一組專家介紹了定制零件以優(yōu)化形狀變化行為的細節(jié)。賓夕法尼亞州立大學的研究人員直接進入4D打印，他們更全面地研究智能材料以及它們如何根據(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。

回顧過去關于建筑系統(tǒng)由于“環(huán)境條件變化”而變得強大的能力的研究，作者受到啟發(fā)，設想了建筑4D框架的新概念，同時在這些框架中采用可被視為機會的不可預測性概念學習。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，因為它們形成了一種獨特的“水活性建筑皮膚系統(tǒng)”，可以對空氣中的水分產生反應。這些材料是3D打印的，基于木材的生物復合材料。通過自定義設置，團隊能夠研究材料的行為，并將與之前使用木材的4D實驗進行比較。

三維打印雙層復合材料系統(tǒng)探索框架。

“在木質復合材料的情況下，3D打印能夠設計出特定的層狀圖案，從而導致不同的膨脹，然后進行形狀變化，”研究人員表示。PLA的六個3D打印雙層復合樣品，具有不同的刀具路徑幾何形狀及其對浸入熱水中的響應。在設置3D打印參數(shù)時，團隊使用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力學。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打印設置包括機床和噴嘴溫度以及3D打印速度�！毖芯咳藛T表示，“3D打印時使用的另一個參數(shù)是使用的細絲，以及是使用單一材料還是使用多種材料打印物體�！痹陂_始案例研究時，團隊用PLA 3D打印了一些樣品，以便進行比較。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%�；罨瘎┦菧囟群蜐穸�，樣品直接暴露的時間量對應于效果水平。

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

意識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計
“為了評估樣品如何在數(shù)小時而不是幾分鐘內改變形狀，我們記錄了原型B在7小時內的形狀變化，”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。

在他們的實驗過程中，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注意到的那樣，3D打印將允許制造復雜的幾何形狀。關于這個項目，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完全變形，作者建議未來多材料方法可能更成功

“在進行的探索中，設計決策協(xié)調幾何之間的相互依賴性， 從工具路徑到整體形式，3D打印設置和時間，作為設計過程中的附加維度。時間，這項研究代表了形狀轉換，我們認為系統(tǒng)的材料探索和計算使我們在設計形狀變化時更接近控制這種動態(tài)行為，“研究人員總結道。

“我們假設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)計算機模型中。 這構成了本研究的下一個階段，可以使我們在實現(xiàn)之前探索計算機中的設計變化。 它還將允許我們創(chuàng)建計算機模擬，以評估建筑設計在控制氣流，日光和室內溫度方面的性能。“

參與3D打印研究的科學家們正在全世界努力改進和完善使用該技術的不同方法。 隨著3D打印軟件和硬件不斷取得新進展，材料研究成為一個強大的焦點中心，復合材料在加工金屬過程中非常受歡迎，從碳納米管復合材料再到PEEK復合材料。