供稿人:張曼玉 田小永 發(fā)布日期：2018-07-23
4D打印是指智能材料的3D打印技術(shù)。智能材料結(jié)構(gòu)在3D打印基礎(chǔ)上，在外界環(huán)境激勵(lì)下隨著時(shí)間實(shí)現(xiàn)自身的結(jié)構(gòu)變化。也就是說(shuō)，4D打印制造的實(shí)體結(jié)構(gòu)形狀，可以隨外界環(huán)境比如溫度發(fā)生變化。
新加坡科技與設(shè)計(jì)大學(xué)提出了一種利用形狀記憶聚合物的直接4D打印方法。通過(guò)3D打印實(shí)現(xiàn)可變形的復(fù)合材料零件的設(shè)計(jì)，在加熱時(shí)該零件能夠快速地改變成指定的形狀。
圖1 直接4D打印概念和實(shí)驗(yàn)證明A.4D打印材料變形過(guò)程B.4D打印復(fù)合材料設(shè)計(jì)形狀變形過(guò)程C.4D打印實(shí)驗(yàn)示范D.形狀記憶材料溫度與曲率變化圖
要實(shí)現(xiàn)直接4D打印，必須在打印過(guò)程中設(shè)計(jì)形狀記憶聚合物的材料組分。從3D打印工作臺(tái)上移除時(shí)，該零件能夠保持一定的形狀結(jié)構(gòu)；通過(guò)改變外界環(huán)境因素來(lái)改變零件的形狀，這種形狀記憶聚合物復(fù)合材料零件加熱時(shí)間的長(zhǎng)短不同，零件的形狀變化程度。并且，在加熱變形后的形狀，即第二穩(wěn)定形狀之后的溫度變化，在冷卻回室溫和再次加熱中基本形狀保持穩(wěn)定。通過(guò)利用玻璃化聚合物的形狀記憶效應(yīng)，再次熱處理時(shí)，會(huì)出現(xiàn)多個(gè)形狀，并且材料在加熱時(shí)將總是恢復(fù)到永久（第二）穩(wěn)定形狀。顯然，這種4D打印方法，其打印過(guò)程中零件的形狀是暫時(shí)的，而打印后加熱變形得到的零件形狀是永久的。
圖2多元素結(jié)構(gòu)直接4D打印示例A.單元體從打印形狀到加熱變形形狀設(shè)計(jì)BC.不同的單元體設(shè)計(jì)及加熱變性過(guò)程D.擁有多個(gè)花瓣和層數(shù)的菊花在打印時(shí)形狀及加熱變形后的形狀
圖4展示了一種復(fù)雜的花在加熱時(shí)開(kāi)花的示例?；ǖ男螤钍窃O(shè)計(jì)出來(lái)的，每一個(gè)花瓣都是雙層高彈力形狀記憶聚合物厚度相同的比率，在不改變每一層花瓣的復(fù)合結(jié)構(gòu)的幾何形狀的情況下，通過(guò)打印時(shí)間來(lái)控制花瓣的曲率。每一層的打印花瓣的時(shí)間從底部到頂部控制在25s-74s，由于在加熱時(shí)每一層的花瓣數(shù)量不同，加熱變化的程度不同可產(chǎn)生一個(gè)真實(shí)的花(菊花)結(jié)構(gòu)。