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4d打印,一种新兴技术,正吸引越来越多的关注。4d打印,即产品打印出来维持一种形状,而受到热、光、湿气或者其他环境条件的激发,就会转变成另一种形状。4d打印超越了3d打印,拓展了形状形成的工序,增加了设计的自由度,并由此诞生了一类新型产品,他们以设定的方式适应环境,调整自身。然而当前的4d打印通常涉及到一个复杂的、漫长的后续处理工序用以训练部件。此外,当前的4d打印所用到的材料基本上是一些柔软的聚合物,因而刚度方面的缺陷限制了其在结构部件领域的应用。

来自新加坡科技大学,佐治亚理工大学和西安交通大学的研究人员另辟新径,创造性的将当前4d打印所需的后续机械训练工序直接植入到3d打印过程本身,极大的简化了4d打印技术。他们先是通过计算机模拟设计 3d部件,然后进行高精度的3d打印。该3d部件在室温下会保持其设计的形状。一旦经过简单的加热,该3d部件就可迅速的转换一个永久性形状。该4d打印技术不仅将复杂漫长的后续机械训练工序从设计与制造工作流程中彻底剔除,更可节省高达90%的打印时间和耗材。

▲ 直接4d打印概念以及实验示意图

“我们的复合材料由性能不同的两部分构成。室温下,一部分较软可以通过设计植入内应力,而另一部分较硬无应力”,新加坡科技大学的丁振博士表示,“我们通过计算模拟来设计该种复合材料,使得3d打印过程中植入软材料的应力完全被硬材料控制,无法释放,从而保证了所打印的3d形状的高精准性。一旦加热,硬材料就会软化,软材料里的内应力由于失去了约束而得以释放,这直接导致了复合材料形状的改变,而且通常是显著的改变。”。新获得的形状不会随着温度的降低改变,但冷却所导致的部分材料变硬使得整个部件呈现出良好的刚度。该研究展示了许多有趣的可改变形状的部件,其中一个格栅结构加热后可以膨胀近乎八倍。

“新的形状是永久性的,也就是说,即使你给他再加热或冷却,它也不会回到最初的3d打印出来的形状,这是形状记忆效应所产生的效果,” 佐治亚理工大学的 h. jerry qi教授分析到,“复合材料中的硬材料具有形状记忆效应,使得新转变的形状被永久性的锁住了。另外,所打印的部件也呈现出形状记忆效应,也就是说,它可以被训练成任意形状,一旦加热,它就会寻找并回到新的永久性形状,但不是最初打印的原始形状。”

“这项研究的关键进展就是提供了一种新的显著简化了的4d打印方法,它可以制造高精度的可重新训练的产品,有望在许多领域(覆盖生物医用器件,3d电子,以及消费者产品等领域)获得应用”,新加坡科技大学的martin l. dunn教授表示,“它甚至开启了一扇新的产品设计模式之门,使得产品从一开始就被设计成在使用中可具有多个形状。”

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