供稿人：羅盟，田小永，李滌塵 發(fā)布日期：2017-04-15
從2013年來(lái)自美國(guó) MIT 的 Tibbits等人提出部分特定材料的3D打印件可隨時(shí)間在一定外環(huán)境刺激下發(fā)生形變的擴(kuò)展的增材制造的概念開(kāi)始，4D打印形成一股新的科技洪流開(kāi)始蔓延在世界增材制造領(lǐng)域的諸多未來(lái)板塊上。而后，隨著Tibbits先后與Stratasys 有限公司 、Autodesk 、美國(guó) Geosyntec 公司分別在打印材料、4D變形模擬軟件以及4D打印件的變形管道系統(tǒng)等方面的應(yīng)用的展開(kāi)，4D打印在Tibbits這個(gè)“魔術(shù)師”的手中生動(dòng)地為世界展現(xiàn)了基于顛覆傳統(tǒng)加工的增材制造方法在功能性拓展下的諸多可能性。
然而從Tibbits提出并實(shí)踐4D打印以來(lái)，借助濕度環(huán)境的改變來(lái)刺激打印件變形或狀態(tài)改變的研究?jī)?nèi)容便始終是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，而其中在水溶液下的定向變形4D打印無(wú)疑最為普遍。然而大多數(shù)研究者則是利用“多層打印、層間吸水性差異”的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)打印材料的定向變形彎曲。而與此同時(shí)，該打印方式也帶來(lái)了以下難以克服的缺陷：多層打印的工藝復(fù)雜性、層間結(jié)合性能差、變形的回復(fù)精度低等。
因此，在2016年，來(lái)自哈佛大學(xué)的A. Sydney Gladman 等人便借助植物細(xì)胞壁的吸水溶脹的靈感模擬植物細(xì)胞壁，從而打印出了內(nèi)部嵌有一定剛度短纖維絲的粘彈性水凝膠打印件。這種打印產(chǎn)品正是利用含有內(nèi)部纖維絲的打印材料，在不同的分布情況下能夠在水中產(chǎn)生差異較大的定向溶脹行為，從而一定程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)于預(yù)打印材料的精確變形控制。該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)在材料經(jīng)過(guò)打印噴頭時(shí)，內(nèi)部纖維絲分布會(huì)在噴嘴剪切誘導(dǎo)下趨于整齊排布，而通過(guò)改變噴嘴的形狀及尺寸，亦能有效改變打印件的溶脹變形情況，如圖1便示意展示了成形材料在打印過(guò)程中的纖維分布以及打印后徑向和軸向的溶脹變形差異。
圖1 仿細(xì)胞壁短纖維打印及變形示意圖 (a)打印過(guò)程纖維絲分布示意圖及 (b)打印件水下溶脹模擬示意圖
于是，借助經(jīng)典的Timoshenko模型進(jìn)行精確模擬設(shè)計(jì)、控制打印的水凝膠內(nèi)部的各組分配比，該研究團(tuán)隊(duì)模擬打印出了多個(gè)形狀各異的打印件進(jìn)行變形模擬，如圖2便是模擬花瓣所打印出的較復(fù)雜形狀打印件以及模擬的復(fù)雜的蘭花的打印及變形模型。
圖2花瓣打印模型及溶脹變形模擬 (a)和(b)為不同出絲分布下相同花瓣外形的水下變形模擬圖；(c)為蘭花的打印模型及溶脹變形模擬圖；(d)為蘭花實(shí)體圖
該打印方式既可以借助各向異性動(dòng)態(tài)重構(gòu)材料形態(tài)，也可以通過(guò)調(diào)節(jié)出絲大小、方向及打印間距通過(guò)模型精準(zhǔn)預(yù)測(cè)在水中的打印結(jié)構(gòu)。為生物相容性下的水溶液中的4D變形研究開(kāi)創(chuàng)性地提出了新思路，更是很可能應(yīng)用于組織工程、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備和柔性機(jī)器人等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。