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，新加坡科技與設計大學（SUTD）與南洋理工大學（NTU）合作了一項研究，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。

這項研究的標題為“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； （b）可逆（雙向）形狀記憶效應。

可逆4D打印

當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，但是要恢復形狀，通常需要以拉伸或牽拉的形式進行手動輸入，這可能既費時又費力。

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注，水凝膠是無需人工干預即可實現(xiàn)可逆性的主要刺激因素。但由于水凝膠缺乏機械強度，其應用受到限制。

SUTD和NTU的研究實現(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。該團隊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大的機械強度。

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)生應力。加熱時，過渡材料將其形狀更改為第二種形式。當乙醇蒸發(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，因為彈性體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，因為它既可以在編程階段引起應力，又可以在回復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。

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

SUTD首席研究員兼工程產(chǎn)品開發(fā)負責人Chua Chee Kai教授說：“雖然可逆4D打印本身是一個很大的進步，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，因為它使我們能夠生產(chǎn)復雜的結(jié)構(gòu)，而這些結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)制造無法輕易實現(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計，創(chuàng)建，包裝和運輸產(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打印與當前3D打印技術(shù)的先進性相匹配，研究人員必須提高在給定時間段內(nèi)創(chuàng)建光滑復雜表面的能力。 哈佛大學的科學家此前曾通過4D打印結(jié)構(gòu)對光滑復雜的表面進行過實驗，該結(jié)構(gòu)在鹽水中放置時具有人臉形狀。 在羅格斯大學（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)增強組織粘附力。

編譯自：3dprintingindustry