近日，一項(xiàng)國(guó)際聯(lián)合研究有了***成果：一種可讓打印對(duì)象在受熱后***轉(zhuǎn)換成不同形狀的3D打印方法。這種新技術(shù)是一種4D打印，是佐治亞理工學(xué)院、新加坡技術(shù)與設(shè)計(jì)大學(xué)(SUTD)和西安交通大學(xué)聯(lián)合研究的結(jié)果。

那什么是4D打印呢?就是將時(shí)間和運(yùn)動(dòng)元素引入3D打印。它并不是一項(xiàng)全新的技術(shù)，一段時(shí)間以來(lái)，全球各地的研究人員一直在開(kāi)發(fā)遇水、熱等因子會(huì)變形的各種不同打印材料。大部分現(xiàn)有4D打印研究依賴于水凝膠的使用，但水凝膠非常柔軟，變形后難以保持形狀。三所高校的***聯(lián)合研究正好彌補(bǔ)了這方面的不足。

該研究最近發(fā)表在《Science Advances》雜志上，題目為“通過(guò)活性復(fù)合材料的直接4D打印”。新技術(shù)涉及3D打印一層層的形狀記憶聚合物(SMP)，而每一層經(jīng)過(guò)編程會(huì)對(duì)受熱有不同的反應(yīng)。SMP是一種智能聚合物，可“記住”其原始形狀，在受熱時(shí)會(huì)變成預(yù)定的形狀。

“通過(guò)將機(jī)械編程后處理步驟直接整合到3D打印過(guò)程中，新方法大大簡(jiǎn)化了4D打印并增加了它的潛能。這允許用計(jì)算機(jī)模擬來(lái)設(shè)計(jì)高分辨率的3D打印件，3D打印完成后，通過(guò)簡(jiǎn)單的加熱，可將其直接而快速地轉(zhuǎn)換成新的***結(jié)構(gòu)，”研究人員解釋說(shuō)。

為了展示新的3D打印技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)制作了許多不同的可變形物體，其中包括一朵相當(dāng)復(fù)雜的花，遇到熱水時(shí)，它的花瓣會(huì)收縮和彎曲，以及一個(gè)晶格結(jié)構(gòu)，放入熱水時(shí)，其大小幾乎可擴(kuò)展為原始尺寸的八倍。轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間極短，在五秒鐘左右，這比以前的水凝膠4D打印技術(shù)要快得多。通過(guò)設(shè)置各種打印參數(shù)，研究人員還能在一定程度上控制最終的轉(zhuǎn)換形狀。

“在室溫下，我們的復(fù)合材料中有一種柔軟的材料，可被編程以包含內(nèi)部應(yīng)力，而另一種材料是硬的。我們用計(jì)算模擬來(lái)設(shè)計(jì)復(fù)合材料組件，其中剛性材料有一個(gè)可防止柔軟材料在3D打印后釋放被編程的內(nèi)部應(yīng)力的形狀和尺寸。加熱時(shí)，剛性材料會(huì)軟化，并允許柔軟材料釋放應(yīng)力，從而讓打印件的形狀發(fā)生變化。這個(gè)過(guò)程通常很戲劇，”研究人員解釋說(shuō)。

雖然該技術(shù)仍處于初期階段，但已經(jīng)顯示出許多潛在的應(yīng)用可能性。例如，4D打印物體在創(chuàng)建緊湊的堆疊或卷狀結(jié)構(gòu)時(shí)可能會(huì)極其有用，這些結(jié)構(gòu)運(yùn)送起來(lái)很簡(jiǎn)單，然后可在需要時(shí)進(jìn)行擴(kuò)展。有一天，該技術(shù)甚至可能會(huì)讓打印物體對(duì)光，甚至電等不同刺激作出反應(yīng)。

SUTD教授Martin L. Dunn表示，該技術(shù)“可在生物醫(yī)學(xué)設(shè)備、3D電子產(chǎn)品和消費(fèi)類產(chǎn)品上有無(wú)數(shù)應(yīng)用”，并補(bǔ)充說(shuō)，“甚至為產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)創(chuàng)了一種新范式，開(kāi)發(fā)人員不僅要設(shè)計(jì)最初的產(chǎn)品，還要為其在后續(xù)服務(wù)中的多種模式進(jìn)行設(shè)計(jì)。”