4D打印技術(shù)制造變形材料

美國喬治亞理工學(xué)院和新加坡科技設(shè)計(jì)大學(xué)的科學(xué)家開發(fā)了一種可遇熱變形的3D打印方法，這一技術(shù)以新方法進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)，用所設(shè)計(jì)的單一成分用來體現(xiàn)多式配置。

這種新技術(shù)稱為4維（4D）打印，是將3D打印與智能材料集成的新造術(shù)語，打印出的部件可因響應(yīng)環(huán)境的刺激而切換其多式配置的形態(tài)。水凝膠和形狀記憶聚合物（SMP）是用在4D打印中最普通的兩種材料。

為適應(yīng)4D打印，將水凝膠與非膨脹性的聚合物結(jié)合使用，當(dāng)將打印結(jié)構(gòu)浸入溶劑里，水凝膠會(huì)膨脹而該聚合物不膨脹，形成了兩種材料之間不匹配的張力而造成部件變形，盡管這方法簡單無需程序控制可也有缺點(diǎn)。因水凝膠較軟，它使打印件太缺少在許多應(yīng)用中所需要的剛性。由于這變形是擴(kuò)散引起的，變形速率很慢，且致變形狀不穩(wěn)定還從屬于環(huán)境因素。SMP能給出具有相對剛性結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢還能較快地變形，可SMP的缺點(diǎn)是做打印材料時(shí)需要經(jīng)歷復(fù)雜的處理。SMP在3D打印之后，必須進(jìn)行熱機(jī)的程序處理，包括加熱、機(jī)械載荷、冷卻和去載荷諸步驟。

喬治亞理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)建立SMP基的4D打印技術(shù)并做了簡化，新的智能材料由玻璃質(zhì)的SMP和彈性體兩種成分組成，原來打印之后實(shí)施的熱機(jī)處理步驟轉(zhuǎn)而嵌入到打印的流程里，由預(yù)設(shè)的壓縮應(yīng)力進(jìn)行程序編制處理。為此，研發(fā)人員通過設(shè)置打印溫度、光強(qiáng)度、光固化時(shí)間、層打印時(shí)間諸因素來控制在打印進(jìn)行中彈性體的光致聚合過程，然后將SMP和彈性體以各種不同的形式結(jié)合一體，得以形成理想的短時(shí)和長時(shí)性的形狀。

“將力學(xué)編程這一原后續(xù)加工步驟直接并入到3D打印的流程中，這新的方法大為簡化并增強(qiáng)了4D打印的潛力，”喬治亞理工學(xué)院伍德拉夫力學(xué)工程學(xué)校的Jerry Qi教授說，“它使得高分辨率的3D打印部件可通過計(jì)算機(jī)編程、3D技術(shù)以及經(jīng)過后續(xù)簡單加熱而直接地并快速地轉(zhuǎn)換成永久性的外形。”

Qi教授和同事們進(jìn)行了演示，造出不同的物件，將其浸入熱水中便改變形狀。例如，他們做了一朵扁平的花，花瓣盤繞狀如葉柵，一經(jīng)加熱便膨脹開近8倍之大。

“我們的復(fù)合材料其一種在室溫下是軟的，但可編程處理使之賦予內(nèi)應(yīng)力，而其余的材料是硬的，”新加坡科技設(shè)計(jì)大學(xué)的博士后Zhen Ding說，“我們用計(jì)算模擬方法來設(shè)計(jì)復(fù)合物成份，用硬材料具有的形狀和尺寸來防止3D打印后預(yù)設(shè)的內(nèi)應(yīng)力經(jīng)由軟材料卸失，而一旦加熱，硬材料變軟從而使軟材料釋放出內(nèi)應(yīng)力，這就導(dǎo)致戲劇性的產(chǎn)品外形變化。”

新技術(shù)具有一些潛在的用途，例如，用于制作產(chǎn)品于便利運(yùn)輸?shù)钠脚P或纏繞狀態(tài)，待使用時(shí)再一次性膨脹開來。其他通途包括可展開的醫(yī)療設(shè)備、機(jī)器人以及玩具。

“這項(xiàng)開發(fā)工作的先進(jìn)性是4D打印，它已經(jīng)大為簡化并可造出復(fù)雜的高分辨率可再編程加工的產(chǎn)品，”新加坡科技設(shè)計(jì)大學(xué)的Martin Dunn教授說，“其前景會(huì)產(chǎn)生跨越生物醫(yī)學(xué)器件、3D打印、消費(fèi)品等種種用途，這甚至開啟了一個(gè)進(jìn)入產(chǎn)品設(shè)計(jì)的新范例之門，在這里涵蓋部件從開始設(shè)計(jì)直至它具備多樣化的構(gòu)型?！?/p>