無需外力無限可逆，雙層組件可逆4D打印的初步研究

2020年3月9日，南極熊從外媒獲悉，新加坡科技與設(shè)計大學(xué)（SUTD）與南洋理工大學(xué)（NTU）合作了一項(xiàng)研究，使3D打印材料的形狀發(fā)生變化后，可以在無任何電氣輸入的情況下無數(shù)次返回。

這項(xiàng)研究的標(biāo)題為“雙層組件可逆4D打印的初步研究”，由Amelia Yilin Lee，Jia An，Chee Kai Chua和Zhang Yi合著。它于2019年12月發(fā)表在《 Engineering》雜志上。

（a）不可逆的（單向）形狀記憶效應(yīng)； （b）可逆（雙向）形狀記憶效應(yīng)。

可逆4D打印

當(dāng)3D打印對象的形狀隨時間變化時，稱為4D打印�？赡�4D打印是指能夠更改回原始3D打印形狀的能力。最初的形狀變化通常是由熱量或水引起的，但是要恢復(fù)形狀，通常需要以拉伸或牽拉的形式進(jìn)行手動輸入，這可能既費(fèi)時又費(fèi)力。

近年來，研究人員已經(jīng)對自動可逆4D打印給予了一定的關(guān)注，水凝膠是無需人工干預(yù)即可實(shí)現(xiàn)可逆性的主要刺激因素。但由于水凝膠缺乏機(jī)械強(qiáng)度，其應(yīng)用受到限制。

SUTD和NTU的研究實(shí)現(xiàn)了可逆的4D打印，而無需水凝膠或人工施加壓力來解決這些挑戰(zhàn)。

在編程階段，分三個步驟。

步驟1：將第一個永久形狀暴露于乙醇中；

步驟2：將形狀從乙醇中移出并在60°C的水中加熱，以形成第二種永久形狀；

步驟3：將組件冷卻以使組件固定在第二個永久形狀中。

在恢復(fù)階段，有兩個步驟。

步驟4：將組件干燥。

步驟5：將部件加熱以恢復(fù)到第一永久形狀。

VeroWhitePlus和TangoBlackPlus

研究使用的材料是VeroWhitePlus和TangoBlackPlus，它們很容易獲得并且與3D polyjet工藝兼容。該團(tuán)隊(duì)首先證明了這些材料在改變形狀期間和之后能夠保持相當(dāng)大的機(jī)械強(qiáng)度。

該方法涉及用乙醇溶脹彈性體以代替水凝膠溶脹的功能。這是為了在過渡材料上產(chǎn)生應(yīng)力。加熱時，過渡材料將其形狀更改為第二種形式。當(dāng)乙醇蒸發(fā)并且彈性體干燥時，過渡材料的二次加熱將其還原回其原始形狀，因?yàn)閺椥泽w由于干燥后存儲在其中的彈性能而將過渡材料拉回。彈性體在工作中起著雙重作用，因?yàn)樗�既可以在編程階段引起應(yīng)力，又可以在回復(fù)過程中將彈性能存儲在材料中。

△可逆循環(huán)的兩個主要階段：編程和恢復(fù)。

研究還得出結(jié)論，與手動強(qiáng)制對象還原相比，使用本方法還原時更為精確�？赡�4D打印尚處于早期階段，但該合作項(xiàng)目為自動可逆4D打印背后的機(jī)制提供了深刻見解。該團(tuán)隊(duì)希望繼續(xù)使用新材料對該技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。

SUTD首席研究員兼工程產(chǎn)品開發(fā)負(fù)責(zé)人Chua Chee Kai教授說：“雖然可逆4D打印本身是一個很大的進(jìn)步，但能夠使用更堅固的材料同時確保形狀變化期間更精確的反轉(zhuǎn)是革命性的，因?yàn)樗�使我們能夠生產(chǎn)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而這些結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)制造無法輕易實(shí)現(xiàn)的。通過依靠環(huán)境條件而不是電力，它使各個行業(yè)的游戲規(guī)則發(fā)生了改變，從而徹底改變了我們設(shè)計，創(chuàng)建，包裝和運(yùn)輸產(chǎn)品的方式，”

可逆4D打印結(jié)構(gòu)，SUTD拍攝的照片。

通過合并下一個維度，4D打印自然是3D打印的下一步。 但是，要使4D打印與當(dāng)前3D打印技術(shù)的先進(jìn)性相匹配，研究人員必須提高在給定時間段內(nèi)創(chuàng)建光滑復(fù)雜表面的能力。 哈佛大學(xué)的科學(xué)家此前曾通過4D打印結(jié)構(gòu)對光滑復(fù)雜的表面進(jìn)行過實(shí)驗(yàn)，該結(jié)構(gòu)在鹽水中放置時具有人臉形狀。 在羅格斯大學(xué)（Rutgers University）的其他地方，研究人員創(chuàng)建了具有生物啟發(fā)性的可編程微針，可使用投影微立體光刻技術(shù)增強(qiáng)組織粘附力。

編譯自：3dprintingindustry