全新3D打印技術(shù)可進(jìn)行翻轉(zhuǎn)變化帶來全新的形狀

北京時間6月10日消息，外媒報道稱，美國萊斯大學(xué)研究人員開發(fā)出全新3D打印技術(shù)（他們稱之為“4D”），這種技術(shù)可以讓3D打印材料在受到電流、溫度或簡單壓力的作用下自動改變形狀。該團隊生產(chǎn)出了一種帶有兩組獨特分子鏈的液晶聚合物“墨水”，分別是原始打印形狀和通過操縱材料制成的形狀。在這種情況下，科學(xué)家只需加熱或冷卻原始打印材料，使其在平坦表面和凹凸表面之間進(jìn)行翻轉(zhuǎn)等變化，就會帶來全新的形狀。

那什么是4D打印呢？就是將時間和運動元素引入3D打印。它并不是一項全新的技術(shù)，一段時間以來，全球各地的研究人員一直在開發(fā)遇水、熱等因子會變形的各種不同打印材料。大部分現(xiàn)有4D打印研究依賴于水凝膠的使用，但水凝膠非常柔軟，變形后難以保持形狀。三所高校的最新聯(lián)合研究正好彌補了這方面的不足。

該研究最近發(fā)表在《Science Advances》雜志上，題目為“通過活性復(fù)合材料的直接4D打印”。新技術(shù)涉及3D打印一層層的形狀記憶聚合物（SMP），而每一層經(jīng)過編程會對受熱有不同的反應(yīng)。SMP是一種智能聚合物，可“記住”其原始形狀，在受熱時會變成預(yù)定的形狀。

“通過將機械編程后處理步驟直接整合到3D打印過程中，新方法大大簡化了4D打印并增加了它的潛能。這允許用計算機模擬來設(shè)計高分辨率的3D打印件，3D打印完成后，通過簡單的加熱，可將其直接而快速地轉(zhuǎn)換成新的永久結(jié)構(gòu)，”研究人員解釋說。

為了展示新的3D打印技術(shù)，研究團隊制作了許多不同的可變形物體，其中包括一朵相當(dāng)復(fù)雜的花，遇到熱水時，它的花瓣會收縮和彎曲，以及一個晶格結(jié)構(gòu)，放入熱水時，其大小幾乎可擴展為原始尺寸的八倍。轉(zhuǎn)換所需的時間極短，在五秒鐘左右，這比以前的水凝膠4D打印技術(shù)要快得多。通過設(shè)置各種打印參數(shù)，研究人員還能在一定程度上控制最終的轉(zhuǎn)換形狀。

“在室溫下，我們的復(fù)合材料中有一種柔軟的材料，可被編程以包含內(nèi)部應(yīng)力，而另一種材料是硬的。我們用計算模擬來設(shè)計復(fù)合材料組件，其中剛性材料有一個可防止柔軟材料在3D打印后釋放被編程的內(nèi)部應(yīng)力的形狀和尺寸。加熱時，剛性材料會軟化，并允許柔軟材料釋放應(yīng)力，從而讓打印件的形狀發(fā)生變化。這個過程通常很戲劇，”研究人員解釋說。

雖然該技術(shù)仍處于初期階段，但已經(jīng)顯示出許多潛在的應(yīng)用可能性。例如，4D打印物體在創(chuàng)建緊湊的堆疊或卷狀結(jié)構(gòu)時可能會極其有用，這些結(jié)構(gòu)運送起來很簡單，然后可在需要時進(jìn)行擴展。有一天，該技術(shù)甚至可能會讓打印物體對光，甚至電等不同刺激作出反應(yīng)。

SUTD教授Martin L. Dunn表示，該技術(shù)“可在生物醫(yī)學(xué)設(shè)備、3D電子產(chǎn)品和消費類產(chǎn)品上有無數(shù)應(yīng)用”，并補充說，“甚至為產(chǎn)品設(shè)計開創(chuàng)了一種新范式，開發(fā)人員不僅要設(shè)計最初的產(chǎn)品，還要為其在后續(xù)服務(wù)中的多種模式進(jìn)行設(shè)計?！?/p>

這一技術(shù)如今的缺點是不能打印不受支持的結(jié)構(gòu)，這就限制了進(jìn)行多樣的形狀組合的可能性。同時，也沒有直接的跡象表明它已經(jīng)為現(xiàn)實世界所需的大規(guī)模生產(chǎn)做好了準(zhǔn)備，其任何用途的實現(xiàn)都可能需要數(shù)年時間。

研究人員稱，他們目前面臨的挑戰(zhàn)是如何制造出一種聚合物混合物，并且其可以在催化劑中打印出來，而不會破壞形狀。盡管如此，它的作用還是顯而易見的，其更容易幫助創(chuàng)造出適應(yīng)周圍世界的機器人，包括可像水母一樣移動的軟體機器人，以及根據(jù)人的身體進(jìn)行自我配置的可改變形狀的醫(yī)用植入物。

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