Published April 20, 2021
| Version v1
Publication
Open
4D Printing Pre-Strained Structures for Fast Thermal Actuation
Description
Four-dimensional (4D) printing is an emerging technology by adding the dimension of time-dependent reconfiguration into 3D printing. It enables the 3D printed structure to change the shape, property, or functionality under external stimuli such as temperature, magnetic field, and light, etc. Among the existing 4D printed structures, thermal responsive structures are widely used for their easy operation. However, the slow actuation of the thermal responsive structures impedes the applications like soft robotics. In the current work, a pre-strained strategy is proposed to accelerate the actuation of thermal responsive structures. A 4D printing platform that can apply strain during the printing process is constructed to fabricate the pre-strained structures under the aid of in-situ tensile of the printing base. A bilayer structure with one pre-strained layer and the other non-pre-strained layer is integrally printed. Through experiments and the finite element analysis, it is demonstrated that the aspect ratio has little effect on the deformation of the bilayer structure, whereas the pre-strain plays a key role in the deformation and also greatly accelerates the actuation of the bilayer structure. Based on the 4D printed pre-strained bilayer structure, an energy-free gripper is fabricated and a fully soft crawler is printed to achieve a high running speed.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
الطباعة رباعية الأبعاد (4D) هي تقنية ناشئة من خلال إضافة بُعد إعادة التكوين المعتمد على الوقت إلى الطباعة ثلاثية الأبعاد. إنه يمكّن الهيكل المطبوع ثلاثي الأبعاد من تغيير الشكل أو الخاصية أو الوظيفة في ظل المحفزات الخارجية مثل درجة الحرارة والمجال المغناطيسي والضوء، إلخ. من بين الهياكل المطبوعة رباعية الأبعاد الحالية، تُستخدم الهياكل المستجيبة للحرارة على نطاق واسع لسهولة تشغيلها. ومع ذلك، فإن التشغيل البطيء للهياكل الحرارية المتجاوبة يعوق التطبيقات مثل الروبوتات اللينة. في العمل الحالي، يتم اقتراح استراتيجية مسبقة الإجهاد لتسريع تشغيل الهياكل المستجيبة للحرارة. يتم إنشاء منصة طباعة رباعية الأبعاد يمكنها تطبيق الضغط أثناء عملية الطباعة لتصنيع الهياكل مسبقة الإجهاد بمساعدة الشد في الموقع لقاعدة الطباعة. تتم طباعة بنية ثنائية الطبقة بطبقة واحدة مسبقة الإجهاد والطبقة الأخرى غير مسبقة الإجهاد بشكل متكامل. من خلال التجارب وتحليل العناصر المحدودة، يتضح أن نسبة العرض إلى الارتفاع لها تأثير ضئيل على تشوه بنية الطبقة الثنائية، في حين أن الانفعال المسبق يلعب دورًا رئيسيًا في التشوه ويسرع أيضًا بشكل كبير من تشغيل بنية الطبقة الثنائية. استنادًا إلى بنية الطبقة الثنائية المطبوعة رباعية الأبعاد مسبقة الإجهاد، يتم تصنيع القابض الخالي من الطاقة وطباعة الزاحف الناعم بالكامل لتحقيق سرعة تشغيل عالية.Translated Description (French)
L'impression en quatre dimensions (4D) est une technologie émergente en ajoutant la dimension de la reconfiguration dépendante du temps à l'impression 3D. Il permet à la structure imprimée en 3D de changer la forme, la propriété ou la fonctionnalité sous des stimuli externes tels que la température, le champ magnétique et la lumière, etc. Parmi les structures imprimées 4D existantes, les structures thermosensibles sont largement utilisées pour leur fonctionnement facile. Cependant, la lenteur de l'actionnement des structures thermosensibles entrave les applications telles que la robotique douce. Dans les travaux en cours, une stratégie pré-contrainte est proposée pour accélérer l'actionnement des structures thermosensibles. Une plate-forme d'impression 4D qui peut appliquer une contrainte pendant le processus d'impression est construite pour fabriquer les structures précontraintes à l'aide de la traction in situ de la base d'impression. Une structure bicouche avec une couche précontrainte et l'autre couche non précontrainte est imprimée intégralement. Grâce à des expériences et à l'analyse par éléments finis, il est démontré que le rapport d'aspect a peu d'effet sur la déformation de la structure bicouche, alors que la précontrainte joue un rôle clé dans la déformation et accélère également considérablement l'actionnement de la structure bicouche. Sur la base de la structure bicouche précontrainte imprimée en 4D, une pince sans énergie est fabriquée et une chenille entièrement souple est imprimée pour atteindre une vitesse de déplacement élevée.Translated Description (Spanish)
La impresión en cuatro dimensiones (4D) es una tecnología emergente que añade la dimensión de la reconfiguración dependiente del tiempo a la impresión 3D. Permite que la estructura impresa en 3D cambie la forma, la propiedad o la funcionalidad bajo estímulos externos como la temperatura, el campo magnético y la luz, etc. Entre las estructuras impresas 4D existentes, las estructuras sensibles térmicas se utilizan ampliamente para su fácil funcionamiento. Sin embargo, el lento accionamiento de las estructuras sensibles térmicas impide las aplicaciones como la robótica blanda. En el trabajo actual, se propone una estrategia previamente deformada para acelerar el accionamiento de estructuras sensibles térmicas. Se construye una plataforma de impresión 4D que puede aplicar tensión durante el proceso de impresión para fabricar las estructuras previamente deformadas con la ayuda de la tracción in situ de la base de impresión. Una estructura bicapa con una capa predeformada y la otra capa no predeformada está impresa integralmente. A través de experimentos y el análisis de elementos finitos, se demuestra que la relación de aspecto tiene poco efecto sobre la deformación de la estructura bicapa, mientras que la deformación previa juega un papel clave en la deformación y también acelera en gran medida el accionamiento de la estructura bicapa. Basado en la estructura bicapa pre-deformada impresa en 4D, se fabrica una pinza sin energía y se imprime una oruga totalmente blanda para lograr una alta velocidad de funcionamiento.Files
pdf.pdf
Files
(3.1 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:d7106d1730f6e348b0f09cf2fb3883c8
|
3.1 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- هياكل الطباعة رباعية الأبعاد مسبقة التدريب للتشغيل الحراري السريع
- Translated title (French)
- Impression 4D de structures précontraintes pour un actionnement thermique rapide
- Translated title (Spanish)
- Estructuras predeformadas de impresión 4D para un rápido accionamiento térmico
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W3153026122
- DOI
- 10.3389/fmats.2021.661999
References
- https://openalex.org/W1901258766
- https://openalex.org/W1970963094
- https://openalex.org/W1978881658
- https://openalex.org/W1993966058
- https://openalex.org/W2012241126
- https://openalex.org/W2025056376
- https://openalex.org/W2033637395
- https://openalex.org/W2052954140
- https://openalex.org/W2087825600
- https://openalex.org/W2161548744
- https://openalex.org/W2339308292
- https://openalex.org/W2467345052
- https://openalex.org/W2471670862
- https://openalex.org/W2527793547
- https://openalex.org/W2557679828
- https://openalex.org/W2560786562
- https://openalex.org/W2587813168
- https://openalex.org/W2605898329
- https://openalex.org/W2726969371
- https://openalex.org/W2761732384
- https://openalex.org/W2784033758
- https://openalex.org/W2791259362
- https://openalex.org/W2794141247
- https://openalex.org/W2803287586
- https://openalex.org/W2805926569
- https://openalex.org/W2886828013
- https://openalex.org/W2894099325
- https://openalex.org/W2905693259
- https://openalex.org/W2960996621
- https://openalex.org/W2971278234
- https://openalex.org/W2994259506
- https://openalex.org/W3008461582
- https://openalex.org/W3010255576
- https://openalex.org/W3037616367
- https://openalex.org/W3084041896