4D打印技术让3D打印对象摆脱时间和运动元素束缚-aau3d打印

近日，一项国际联合研究有了最新成果：一种可让打印对象在受热后永久转换成不同形状的3D打印方法。这种新技术是一种4D打印，是佐治亚理工学院、新加坡技术与设计大学(SUTD)和西安交通大学联合研究的结果。

那什么是4D打印呢?就是将时间和运动元素引入3D打印。它并不是一项全新的技术，一段时间以来，全球各地的研究人员一直在开发遇水、热等因子会变形的各种不同打印材料。大部分现有4D打印研究依赖于水凝胶的使用，但水凝胶非常柔软，变形后难以保持形状。三所高校的最新联合研究正好弥补了这方面的不足。

该研究最近发表在《Science Advances》杂志上，题目为“通过活性复合材料的直接4D打印”。新技术涉及3D打印一层层的形状记忆聚合物(SMP)，而每一层经过编程会对受热有不同的反应。SMP是一种智能聚合物，可“记住”其原始形状，在受热时会变成预定的形状。

“通过将机械编程后处理步骤直接整合到3D打印过程中，新方法大大简化了4D打印并增加了它的潜能。这允许用计算机模拟来设计高分辨率的3D打印件，3D打印完成后，通过简单的加热，可将其直接而快速地转换成新的永久结构，”研究人员解释说。

为了展示新的3D打印技术，研究团队制作了许多不同的可变形物体，其中包括一朵相当复杂的花，遇到热水时，它的花瓣会收缩和弯曲，以及一个晶格结构，放入热水时，其大小几乎可扩展为原始尺寸的八倍。转换所需的时间极短，在五秒钟左右，这比以前的水凝胶4D打印技术要快得多。通过设置各种打印参数，研究人员还能在一定程度上控制最终的转换形状。

“在室温下，我们的复合材料中有一种柔软的材料，可被编程以包含内部应力，而另一种材料是硬的。我们用计算模拟来设计复合材料组件，其中刚性材料有一个可防止柔软材料在3D打印后释放被编程的内部应力的形状和尺寸。加热时，刚性材料会软化，并允许柔软材料释放应力，从而让打印件的形状发生变化。这个过程通常很戏剧，”研究人员解释说。

虽然该技术仍处于初期阶段，但已经显示出许多潜在的应用可能性。例如，4D打印物体在创建紧凑的堆叠或卷状结构时可能会极其有用，这些结构运送起来很简单，然后可在需要时进行扩展。有一天，该技术甚至可能会让打印物体对光，甚至电等不同刺激作出反应。

SUTD教授Martin L. Dunn表示，该技术“可在生物医学设备、3D电子产品和消费类产品上有无数应用”，并补充说，“甚至为产品设计开创了一种新范式，开发人员不仅要设计最初的产品，还要为其在后续服务中的多种模式进行设计。”