4D打印，一種新興技術，正吸引越來越多的關注。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，增加了設計的自由度，并由此誕生了一類新型產(chǎn)品，他們以設定的方式適應環(huán)境，調(diào)整自身。然而當前的4D打印通常涉及到一個復雜的、漫長的后續(xù)處理工序用以訓練部件。此外，當前的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)部件領域的應用。

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

▲ 直接4D打印概念以及實驗示意圖

“我們的復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計植入內(nèi)應力，而另一部分較硬無應力”，新加坡科技大學的丁振博士表示，“我們通過計算模擬來設計該種復合材料，使得3D打印過程中植入軟材料的應力完全被硬材料控制，無法釋放，從而保證了所打印的3D形狀的高精準性。一旦加熱，硬材料就會軟化，軟材料里的內(nèi)應力由于失去了約束而得以釋放，這直接導致了復合材料形狀的改變，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，但冷卻所導致的部分材料變硬使得整個部件呈現(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，這是形狀記憶效應所產(chǎn)生的效果，” 佐治亞理工大學的 H. Jerry Qi教授分析到，“復合材料中的硬材料具有形狀記憶效應，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，也就是說，它可以被訓練成任意形狀，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。”

“這項研究的關鍵進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練的產(chǎn)品，有望在許多領域(覆蓋生物醫(yī)用器件，3D電子，以及消費者產(chǎn)品等領域)獲得應用”，新加坡科技大學的Martin L. Dunn教授表示，“它甚至開啟了一扇新的產(chǎn)品設計模式之門，使得產(chǎn)品從一開始就被設計成在使用中可具有多個形狀。”

該研究成果最近在科學進展(Science Advances)雜志上發(fā)表，并被科學(Science)收錄于網(wǎng)站主頁近一周。Scientific American(科學美國人), NewScientist(新科學家),LiveScience(生命科學), DiscoveryChannel(探索頻道) 等都進行了報道。

關鍵詞： 4D打印 3D打印