供稿人:鐘琪 田小永 供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2020-09-07
3D打印雖然能夠創(chuàng)造復雜的形狀，但在制造速度和材料多樣性上并不具有優(yōu)勢。利用從2D到3D變形的4D打印的優(yōu)點是，它放棄了3D打印的逐層制造過程，從而實現(xiàn)了更快的生產方法。但是，目前通過4D打印可制作的零件形狀有限。此外，很難將截然不同的多種材料結合在一起。浙江大學的研究人員對4D打印的模塊化方法進行了研究，并獲得了一定的突破。
該項研究的作者開發(fā)了一種模塊化4D打印系統(tǒng)。這些4D打印模塊的材料屬性有明顯的不同，但卻可以組裝在一起。研究人員寫道，他們的模塊化4D打印系統(tǒng)克服了上述技術的限制：“這種方法允許制造幾何復雜和功能多樣的變形設備，同時保持了制造速度優(yōu)勢?！迸e一個例子，作者寫道:“PPIA20-IBOA80 (Tg=70℃)和PPIA50-PEA50 (Tm=50℃)的兩個4D打印樣品在粘接過程中通過局部施加一個小的力在非鉸接區(qū)域組裝在一起。通過形狀記憶機制，樣品在100°C時變形為平板，冷卻至0°C后固定。在重新加熱時，由于空間上不同的熱轉變，多材料組件自發(fā)進行折疊，從而變形為一個球體。”
圖1 多材料模塊式組裝
模塊化4D打印系統(tǒng)使用了雙面數(shù)字光，投射到由光固化單體組成的打印前體上。這些單體包括動態(tài)共價鍵、光引發(fā)劑、光吸收劑和溶劑(甲苯)。當溶液暴露在光下時，溶液被固化，光衰減增強，從而在平面外尺寸上建立固化梯度。當未固化的單體和溶劑從固化膜中去除時，由于材料在平面外尺寸上的不均一性，使二維膜變形為三維膜。研究人員解釋說:“在這個過程中，打印前體的獨立變化可以產生具有可定制材料屬性的3D零件，我們稱之為3D材料模塊。”每個模塊都有各自的形狀，可以通過模塊間界面處共價鍵動態(tài)交換，實現(xiàn)操縱和連接。
圖2 模塊化4D打印工藝中，模塊之間共價鍵動態(tài)交換
在論文的結語部分，研究人員解釋了這種模塊化結構不僅具有4D打印的優(yōu)點，還可以通過材料模塊之間的界面鍵交換來操縱打印出的形狀，整合多種不同的材料。他們寫道，“這些特性允許材料和結構的多用途集成，從而為構建具有幾何形狀指示功能的多響應設備提供了可能。總的來說，模塊化4D打印的概念擴展了結構復雜和功能多樣的變形裝置的技術范圍?！?/p>