新的4D列印技術讓3D列印對象在受熱時發生永久變形

近日，一項國際聯合研究有了最新成果：一種可讓列印對象在受熱後永久轉換成不同形狀的3D列印方法。這種新技術是一種4D列印，是喬治亞理工學院、新加坡技術與設計大學（SUTD）和西安交通大學聯合研究的結果。

那什麼是4D列印呢？就是將時間和運動元素引入3D列印。它並不是一項全新的技術，一段時間以來，全球各地的研究人員一直在開發遇水、熱等因子會變形的各種不同列印材料。大部分現有4D列印研究依賴於水凝膠的使用，但水凝膠非常柔軟，變形後難以保持形狀。三所高校的最新聯合研究正好彌補了這方面的不足。

該研究最近發表在《Science Advances》雜誌上，題目為「通過活性複合材料的直接4D列印」。新技術涉及3D列印一層層的形狀記憶聚合物（SMP），而每一層經過編程會對受熱有不同的反應。SMP是一種智能聚合物，可「記住」其原始形狀，在受熱時會變成預定的形狀。

「通過將機械編程後處理步驟直接整合到3D列印過程中，新方法大大簡化了4D列印並增加了它的潛能。這允許用計算機模擬來設計高解析度的3D列印件，3D列印完成後，通過簡單的加熱，可將其直接而快速地轉換成新的永久結構，」研究人員解釋說。

為了展示新的3D列印技術，研究團隊製作了許多不同的可變形物體，其中包括一朵相當複雜的花，遇到熱水時，它的花瓣會收縮和彎曲，以及一個晶格結構，放入熱水時，其大小几乎可擴展為原始尺寸的八倍。轉換所需的時間極短，在五秒鐘左右，這比以前的水凝膠4D列印技術要快得多。通過設置各種列印參數，研究人員還能在一定程度上控制最終的轉換形狀。

「在室溫下，我們的複合材料中有一種柔軟的材料，可被編程以包含內部應力，而另一種材料是硬的。我們用計算模擬來設計複合材料組件，其中剛性材料有一個可防止柔軟材料在3D列印後釋放被編程的內部應力的形狀和尺寸。加熱時，剛性材料會軟化，並允許柔軟材料釋放應力，從而讓列印件的形狀發生變化。這個過程通常很戲劇，」研究人員解釋說。

雖然該技術仍處於初期階段，但已經顯示出許多潛在的應用可能性。例如，4D列印物體在創建緊湊的堆疊或卷狀結構時可能會極其有用，這些結構運送起來很簡單，然後可在需要時進行擴展。有一天，該技術甚至可能會讓列印物體對光，甚至電等不同刺激作出反應。

SUTD教授Martin L. Dunn表示，該技術「可在生物醫學設備、3D電子產品和消費類產品上有無數應用」，並補充說，「甚至為產品設計開創了一種新範式，開發人員不僅要設計最初的產品，還要為其在後續服務中的多種模式進行設計。」（文章來源：天工社）