4D打印技術制造變形材料

美國喬治亞理工學院和新加坡科技設計大學的科學家開發了一種可遇熱變形的3D打印方法，這一技術以新方法進行產品開發，用所設計的單一成分用來體現多式配置。

這種新技術稱為4維（4D）打印，是將3D打印與智能材料集成的新造術語，打印出的部件可因響應環境的刺激而切換其多式配置的形態。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4D打印，將水凝膠與非膨脹性的聚合物結合使用，當將打印結構浸入溶劑里，水凝膠會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。因水凝膠較軟，它使打印件太缺少在許多應用中所需要的剛性。由于這變形是擴散引起的，變形速率很慢，且致變形狀不穩定還從屬于環境因素。SMP能給出具有相對剛性結構的優勢還能較快地變形，可SMP的缺點是做打印材料時需要經歷復雜的處理。SMP在3D打印之后，必須進行熱機的程序處理，包括加熱、機械載荷、冷卻和去載荷諸步驟。

喬治亞理工學院的團隊已經建立SMP基的4D打印技術并做了簡化，新的智能材料由玻璃質的SMP和彈性體兩種成分組成，原來打印之后實施的熱機處理步驟轉而嵌入到打印的流程里，由預設的壓縮應力進行程序編制處理。為此，研發人員通過設置打印溫度、光強度、光固化時間、層打印時間諸因素來控制在打印進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合一體，得以形成理想的短時和長時性的形狀。

“將力學編程這一原后續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了4D打印的潛力，”喬治亞理工學院伍德拉夫力學工程學校的Jerry Qi教授說，“它使得高分辨率的3D打印部件可通過計算機編程、3D技術以及經過后續簡單加熱而直接地并快速地轉換成永久性的外形。”

Qi教授和同事們進行了演示，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，一經加熱便膨脹開近8倍之大。

“我們的復合材料其一種在室溫下是軟的，但可編程處理使之賦予內應力，而其余的材料是硬的，”新加坡科技設計大學的博士后Zhen Ding說，“我們用計算模擬方法來設計復合物成份，用硬材料具有的形狀和尺寸來防止3D打印后預設的內應力經由軟材料卸失，而一旦加熱，硬材料變軟從而使軟材料釋放出內應力，這就導致戲劇性的產品外形變化。”

新技術具有一些潛在的用途，例如，用于制作產品于便利運輸的平臥或纏繞狀態，待使用時再一次性膨脹開來。其他通途包括可展開的醫療設備、機器人以及玩具。

“這項開發工作的先進性是4D打印，它已經大為簡化并可造出復雜的高分辨率可再編程加工的產品，”新加坡科技設計大學的Martin Dunn教授說，“其前景會產生跨越生物醫學器件、3D打印、消費品等種種用途，這甚至開啟了一個進入產品設計的新范例之門，在這里涵蓋部件從開始設計直至它具備多樣化的構型。”