4D打印，一種新興技術(shù)，正吸引越來越多的關(guān)注。4D打印，即產(chǎn)品打印出來維持一種形狀，而受到熱、光、濕氣或者其他環(huán)境條件的激發(fā)，就會轉(zhuǎn)變成另一種形狀。4D打印超越了3D打印，拓展了形狀形成的工序，增加了設(shè)計(jì)的自由度，并由此誕生了一類新型產(chǎn)品，他們以設(shè)定的方式適應(yīng)環(huán)境，調(diào)整自身。然而當(dāng)前的4D打印通常涉及到一個(gè)復(fù)雜的、漫長的后續(xù)處理工序用以訓(xùn)練部件。此外，當(dāng)前的4D打印所用到的材料基本上是一些柔軟的聚合物，因而剛度方面的缺陷限制了其在結(jié)構(gòu)部件領(lǐng)域的應(yīng)用。

來自新加坡科技大學(xué)，佐治亞理工大學(xué)和西安交通大學(xué)的研究人員另辟新徑，創(chuàng)造性的將當(dāng)前4D打印所需的后續(xù)機(jī)械訓(xùn)練工序直接植入到3D打印過程本身，極大的簡化了4D打印技術(shù)。他們先是通過計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì) 3D部件，然后進(jìn)行高精度的3D打印。該3D部件在室溫下會保持其設(shè)計(jì)的形狀。一旦經(jīng)過簡單的加熱，該3D部件就可迅速的轉(zhuǎn)換一個(gè)永久性形狀。該4D打印技術(shù)不僅將復(fù)雜漫長的后續(xù)機(jī)械訓(xùn)練工序從設(shè)計(jì)與制造工作流程中徹底剔除，更可節(jié)省高達(dá)90%的打印時(shí)間和耗材。

▲ 直接4D打印概念以及實(shí)驗(yàn)示意圖

“我們的復(fù)合材料由性能不同的兩部分構(gòu)成。室溫下，一部分較軟可以通過設(shè)計(jì)植入內(nèi)應(yīng)力，而另一部分較硬無應(yīng)力”，新加坡科技大學(xué)的丁振博士表示，“我們通過計(jì)算模擬來設(shè)計(jì)該種復(fù)合材料，使得3D打印過程中植入軟材料的應(yīng)力完全被硬材料控制，無法釋放，從而保證了所打印的3D形狀的高精準(zhǔn)性。一旦加熱，硬材料就會軟化，軟材料里的內(nèi)應(yīng)力由于失去了約束而得以釋放，這直接導(dǎo)致了復(fù)合材料形狀的改變，而且通常是顯著的改變。”。新獲得的形狀不會隨著溫度的降低改變，但冷卻所導(dǎo)致的部分材料變硬使得整個(gè)部件呈現(xiàn)出良好的剛度。該研究展示了許多有趣的可改變形狀的部件，其中一個(gè)格柵結(jié)構(gòu)加熱后可以膨脹近乎八倍。

“新的形狀是永久性的，也就是說，即使你給他再加熱或冷卻，它也不會回到最初的3D打印出來的形狀，這是形狀記憶效應(yīng)所產(chǎn)生的效果，” 佐治亞理工大學(xué)的 H. Jerry Qi教授分析到，“復(fù)合材料中的硬材料具有形狀記憶效應(yīng)，使得新轉(zhuǎn)變的形狀被永久性的鎖住了。另外，所打印的部件也呈現(xiàn)出形狀記憶效應(yīng)，也就是說，它可以被訓(xùn)練成任意形狀，一旦加熱，它就會尋找并回到新的永久性形狀，但不是最初打印的原始形狀。”

“這項(xiàng)研究的關(guān)鍵進(jìn)展就是提供了一種新的顯著簡化了的4D打印方法，它可以制造高精度的可重新訓(xùn)練的產(chǎn)品，有望在許多領(lǐng)域(覆蓋生物醫(yī)用器件，3D電子，以及消費(fèi)者產(chǎn)品等領(lǐng)域)獲得應(yīng)用”，新加坡科技大學(xué)的Martin L. Dunn教授表示，“它甚至開啟了一扇新的產(chǎn)品設(shè)計(jì)模式之門，使得產(chǎn)品從一開始就被設(shè)計(jì)成在使用中可具有多個(gè)形狀。”

該研究成果最近在科學(xué)進(jìn)展(Science Advances)雜志上發(fā)表，并被科學(xué)(Science)收錄于網(wǎng)站主頁近一周。Scientific American(科學(xué)美國人), NewScientist(新科學(xué)家),LiveScience(生命科學(xué)), DiscoveryChannel(探索頻道) 等都進(jìn)行了報(bào)道。

關(guān)鍵詞： 4D打印 3D打印