4D打印相比3D打印更簡(jiǎn)單更快速

　　4D打印，一種新興技術(shù)，正吸引越來(lái)越多的關(guān)注。4D打印，即產(chǎn)品打印出來(lái)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(huì )轉變成另一種形狀。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(lèi)新型產(chǎn)品，他們以設定的方式適應環(huán)境，調整自身。然而當前的4D打印通常涉及到一個(gè)復雜的、漫長(cháng)的后續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構部件領(lǐng)域的應用。

　　來(lái)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 )造性的將當前4D打印所需的后續機械訓練工序直接植入到3D打印過(guò)程本身，極大的簡(jiǎn)化了4D打印技術(shù)。他們先是通過(guò)計算機模擬設計 3D部件，然后進(jìn)行高精度的3D打印。該3D部件在室溫下會(huì )保持其設計的形狀。一旦經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的加熱，該3D部件就可迅速的轉換一個(gè)永久性形狀。該4D打印技術(shù)不僅將復雜漫長(cháng)的后續機械訓練工序從設計與制造工作流程中徹底剔除，更可節省高達90%的打印時(shí)間和耗材。

　　▲ 直接4D打印概念以及實(shí)驗示意圖

　　“我們的復合材料由性能不同的兩部分構成。室溫下，一部分較軟可以通過(guò)設計植入內應力，而另一部分較硬無(wú)應力”，新加坡科技大學(xué)的丁振博士表示，“我們通過(guò)計算模擬來(lái)設計該種復合材料，使得3D打印過(guò)程中植入軟材料的應力完全被硬材料控制，無(wú)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(huì )軟化，軟材料里的內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(zhù)的改變。”。新獲得的形狀不會(huì )隨著(zhù)溫度的降低改變，但冷卻所導致的部分材料變硬使得整個(gè)部件呈現出良好的剛度。該研究展示了許多有趣的可改變形狀的部件，其中一個(gè)格柵結構加熱后可以膨脹近乎八倍。

　　“新的形狀是永久性的，也就是說(shuō)，即使你給他再加熱或冷卻，它也不會(huì )回到最初的3D打印出來(lái)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(xué)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，使得新轉變的形狀被永久性的鎖住了。另外，所打印的部件也呈現出形狀記憶效應，也就是說(shuō)，它可以被訓練成任意形狀，一旦加熱，它就會(huì )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(guān)鍵進(jìn)展就是提供了一種新的顯著(zhù)簡(jiǎn)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(lǐng)域(覆蓋生物醫用器件，3D電子，以及消費者產(chǎn)品等領(lǐng)域)獲得應用”，新加坡科技大學(xué)的Martin L. Dunn教授表示，“它甚至開(kāi)啟了一扇新的產(chǎn)品設計模式之門(mén)，使得產(chǎn)品從一開(kāi)始就被設計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(yè)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)行了報道。