4D打印技术制造变形材料

美国乔治亚理工学院和新加坡科技设计大学的科学家开发了一种可遇热变形的3D打印方法，这一技术以新方法进行产品开发，用所设计的单一成分用来体现多式配置。

这种新技术称为4维（4D）打印，是将3D打印与智能材料集成的新造术语，打印出的部件可因响应环境的刺激而切换其多式配置的形态。水凝胶和形状记忆聚合物（SMP）是用在4D打印中最普通的两种材料。

为适应4D打印，将水凝胶与非膨胀性的聚合物结合使用，当将打印结构浸入溶剂里，水凝胶会膨胀而该聚合物不膨胀，形成了两种材料之间不匹配的张力而造成部件变形，尽管这方法简单无需程序控制可也有缺点。因水凝胶较软，它使打印件太缺少在许多应用中所需要的刚性。由于这变形是扩散引起的，变形速率很慢，且致变形状不稳定还从属于环境因素。SMP能给出具有相对刚性结构的优势还能较快地变形，可SMP的缺点是做打印材料时需要经历复杂的处理。SMP在3D打印之后，必须进行热机的程序处理，包括加热、机械载荷、冷却和去载荷诸步骤。

乔治亚理工学院的团队已经建立SMP基的4D打印技术并做了简化，新的智能材料由玻璃质的SMP和弹性体两种成分组成，原来打印之后实施的热机处理步骤转而嵌入到打印的流程里，由预设的压缩应力进行程序编制处理。为此，研发人员通过设置打印温度、光强度、光固化时间、层打印时间诸因素来控制在打印进行中弹性体的光致聚合过程，然后将SMP和弹性体以各种不同的形式结合一体，得以形成理想的短时和长时性的形状。

“将力学编程这一原后续加工步骤直接并入到3D打印的流程中，这新的方法大为简化并增强了4D打印的潜力，”乔治亚理工学院伍德拉夫力学工程学校的Jerry Qi教授说，“它使得高分辨率的3D打印部件可通过计算机编程、3D技术以及经过后续简单加热而直接地并快速地转换成永久性的外形。”

Qi教授和同事们进行了演示，造出不同的物件，将其浸入热水中便改变形状。例如，他们做了一朵扁平的花，花瓣盘绕状如叶栅，一经加热便膨胀开近8倍之大。

“我们的复合材料其一种在室温下是软的，但可编程处理使之赋予内应力，而其余的材料是硬的，”新加坡科技设计大学的博士后Zhen Ding说，“我们用计算模拟方法来设计复合物成份，用硬材料具有的形状和尺寸来防止3D打印后预设的内应力经由软材料卸失，而一旦加热，硬材料变软从而使软材料释放出内应力，这就导致戏剧性的产品外形变化。”

新技术具有一些潜在的用途，例如，用于制作产品于便利运输的平卧或缠绕状态，待使用时再一次性膨胀开来。其他通途包括可展开的医疗设备、机器人以及玩具。

“这项开发工作的先进性是4D打印，它已经大为简化并可造出复杂的高分辨率可再编程加工的产品，”新加坡科技设计大学的Martin Dunn教授说，“其前景会产生跨越生物医学器件、3D打印、消费品等种种用途，这甚至开启了一个进入产品设计的新范例之门，在这里涵盖部件从开始设计直至它具备多样化的构型。”