宾州大学开发用于建筑应用的4D打印木质复合材料

来源：中国3D打印网

在“设计形状变化：响应式建筑的3D打印复合材料案例研究”中，一组专家介绍了定制零件以优化形状变化行为的细节。宾夕法尼亚州立大学的研究人员直接进入4D打印，他们更全面地研究智能材料以及它们如何根据用户要求和环境变化(无论是由于温度，湿度或其他因素)而变形。

回顾过去关于建筑系统由于“环境条件变化”而变得强大的能力的研究，作者受到启发，设想了建筑4D框架的新概念，同时在这些框架中采用可被视为机会的不可预测性概念学习。他们的问题和使命不仅成为如何利用这些能力，而且还成为如何控制它们，因为它们形成了一种独特的“水活性建筑皮肤系统”，可以对空气中的水分产生反应。这些材料是3D打印的，基于木材的生物复合材料。通过自定义设置，团队能够研究材料的行为，并将与之前使用木材的4D实验进行比较。

三维打印双层复合材料系统探索框架。

“在木质复合材料的情况下，3D打印能够设计出特定的层状图案，从而导致不同的膨胀，然后进行形状变化，”研究人员表示。PLA的六个3D打印双层复合样品，具有不同的刀具路径几何形状及其对浸入热水中的响应。在设置3D打印参数时，团队使用Grasshopper的Silkworm插件来自定义G代码 ，从而不仅在喷嘴上建立控制，而且在打印模式上建立控制。这意味着能够操纵纤维取向和形状变化动力学。其他确定的参数如下：

1、打印层数
2、图层高度
3、在双层配置中订购活动层和约束层
4、控制孔隙度

“我们通过定制G代码控制的3D打印设置包括机床和喷嘴温度以及3D打印速度。”研究人员表示，“3D打印时使用的另一个参数是使用的细丝，以及是使用单一材料还是使用多种材料打印物体。”在开始案例研究时，团队用PLA 3D打印了一些样品，以便进行比较。下一组“探索”包括使用Laywood，一种由40%木纤维制成的木质材料。作者指出，如果存在大量的湿度，用Laywood印刷的样品的伸长率为106%。活化剂是温度和湿度，样品直接暴露的时间量对应于效果水平。

六个双层木基生物复合材料样品的形状变化，间隔10分钟，总持续时间为40分钟。

意识到孔隙度和印刷角度对活化形状的影响，研究人员以组合三角形的形式创建了175 x 75mm原型。他们发现受潮湿的样品从70分钟后变形。

水性建筑皮肤的原型设计
“为了评估样品如何在数小时而不是几分钟内改变形状，我们记录了原型B在7小时内的形状变化，”研究人员说。

原型A的形状变化，间隔10分钟，B)原型B的形状变化，间隔2小时。

在他们的实验过程中，研究人员发现他们可以改变孔隙度水平，这使他们能够控制4D模型。他们还能够使用研究参数来控制他们创建的“建筑皮肤”中的透明度。正如之前许多其他研究已经注意到的那样，3D打印将允许制造复杂的几何形状。关于这个项目，作者指出，许多其他类型的材料可用于创建建筑皮肤系统。还注意到单一材料原型在受潮时完全变形，作者建议未来多材料方法可能更成功

“在进行的探索中，设计决策协调几何之间的相互依赖性， 从工具路径到整体形式，3D打印设置和时间，作为设计过程中的附加维度。时间，这项研究代表了形状转换，我们认为系统的材料探索和计算使我们在设计形状变化时更接近控制这种动态行为，“研究人员总结道。

“我们假设一旦形状改变行为正式化，一旦通过系统的材料探索形式化变形行为，就可以将材料智能嵌入到参数计算机模型中。 这构成了本研究的下一个阶段，可以使我们在实现之前探索计算机中的设计变化。 它还将允许我们创建计算机模拟，以评估建筑设计在控制气流，日光和室内温度方面的性能。“

参与3D打印研究的科学家们正在全世界努力改进和完善使用该技术的不同方法。 随着3D打印软件和硬件不断取得新进展，材料研究成为一个强大的焦点中心，复合材料在加工金属过程中非常受欢迎，从碳纳米管复合材料再到PEEK复合材料。