4D列印技術：3D列印出可隨熱量變化而變形的物體

美國喬治亞理工學院的研究者與其他三校(新加坡科技設計大學，西安交通大學，浙江大學)合作研發了一個新型的3D列印技術，能創造隨熱量變化在一定範圍內永久變形的物體。該成果已發表在4月12日的科學進展雜誌上。

在熱水中扁平物體永久變形為曲面形狀。Credit: Rob Felt

該研究團隊通過列印多層形狀記憶聚合物，每一層對熱量變化的反應不同，實現了變形物體的列印。

美國喬治亞理工學院喬治·W·伍德拉夫機械工程學院教授Jerry Qi說道：「該方法將機械設計後處理步驟直接集成到3D列印過程中，大大簡化了4D列印技術，增強了應用潛力。這使得我們可以用計算機模擬設計高解析度的3D列印元件，列印出來後直接快速地通過簡單的加熱將其轉化為新的形狀。」

晶格物體在熱水中永久變形為原本8倍大。Credit: Rob Felt

最新的列印技術基於該團隊早先的智能形狀記憶聚合物(SMPs)，能夠記住一種形狀，並在均勻加熱的情況下變化為另一種設計的形狀，可用於製造沿著鉸鏈摺疊的物體。

Credit: Z. Ding

Qi說道：「該方法能節省多達90%的列印時間和材料，並且完全省去了設計和製造流程的機械設計時間。」

為了證實新方法的有效性，研究團隊製造了幾種能在熱水中快速彎曲或者伸展的物體，包括像真正的菊花在烈日底下收縮花瓣的模型花，能伸展到原始大小的8倍的晶格形狀物體。

Credit: Z. Ding

新加坡科技設計大學的Zhen Ding說道：「我們室溫下的合成材料中有一種十分柔軟，能被設計為包含內應力，而另一種則十分堅硬。我們使用計算機模擬設計合成元件，其中堅硬的材料有固定的形狀和大小，能防止設計的有內應力的柔軟材料釋放出來。但一旦加熱之後，堅硬的材料就會軟化，柔軟的材料就會釋放其中的壓力，就引起了物體形狀的巨大變化。」(話說，這是不是可以用來設計那種你懂的新型的雙層玩具？)

該新型4D物體能催生大量的新產品特性，比如讓產品在運輸時堆疊或者捲起來，然後在使用時展開。最終，該技術能製造響應各種刺激的元件，比如溫度，濕度或者光照，從而進一步製造空間結構，可展開醫療設備，機器人，玩具及各種其他的結構。

Credit: Z. Ding

新加坡科技設計大學教授Martin L. Dunn說道：「該成果最突出的貢獻是大大簡化了4D列印技術，能夠創建高解析度的複雜3D設計產品。該技術的應用前景十分廣闊，包括生物醫療設備，3D電子以及消費產品等。這甚至為產品設計提供了新的範式，可以從一開始就設計服務中所要求的各項配置。」

Credit: Z. Ding

[CliffBao via techxplore]

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！