@ 2017.04.20 , 11:00

4D打印技术:3D打印出可随热量变化而变形的物体

美国佐治亚理工学院的研究者与其他三校(新加坡科技设计大学,西安交通大学,浙江大学)合作研发了一个新型的3D打印技术,能创造随热量变化在一定范围内永久变形的物体。该成果已发表在4月12日的科学进展杂志上。

4D打印技术:3D打印出可随热量变化而变形的物体
在热水中扁平物体永久变形为曲面形状。Credit: Rob Felt

该研究团队通过打印多层形状记忆聚合物,每一层对热量变化的反应不同,实现了变形物体的打印。

美国佐治亚理工学院乔治·W·伍德拉夫机械工程学院教授Jerry Qi说道:“该方法将机械设计后处理步骤直接集成到3D打印过程中,大大简化了4D打印技术,增强了应用潜力。这使得我们可以用计算机模拟设计高分辨率的3D打印元件,打印出来后直接快速地通过简单的加热将其转化为新的形状。”

4D打印技术:3D打印出可随热量变化而变形的物体
晶格物体在热水中永久变形为原本8倍大。Credit: Rob Felt

最新的打印技术基于该团队早先的智能形状记忆聚合物(□□Ps),能够记住一种形状,并在均匀加热的情况下变化为另一种设计的形状,可用于制造沿着铰链折叠的物体。


Credit: Z. Ding

Qi说道:“该方法能节省多达90%的打印时间和材料,并且完全省去了设计和制造流程的机械设计时间。”

为了证实新方法的有效性,研究团队制造了几种能在热水中快速弯曲或者伸展的物体,包括像真正的□□在烈日底下收缩花瓣的模型花,能伸展到原始大小的8倍的晶格形状物体。


Credit: Z. Ding

新加坡科技设计大学的Zhen Ding说道:“我们室温下的合成材料中有一种十分柔软,能被设计为包含内应力,而另一种则十分坚硬。我们使用计算机模拟设计合成元件,其中坚硬的材料有固定的形状和大小,能防止设计的有内应力的柔软材料释放出来。但一旦加热之后,坚硬的材料就会软化,柔软的材料就会释放其中的压力,就引起了物体形状的巨大变化。”(话说,这是不是可以用来设计那种你懂的新型的双层玩具?)

该新型4D物体能催生大量的新产品特性,比如让产品在运输时堆叠或者卷起来,然后在使用时展开。最终,该技术能制造响应各种刺激的元件,比如温度,湿度或者光照,从而进一步制造空间结构,可展开医疗设备,机器人,玩具及各种其他的结构。


Credit: Z. Ding

新加坡科技设计大学教授Martin L. Dunn说道:“该成果最突出的贡献是大大简化了4D打印技术,能够创建高分辨率的复杂3D设计产品。该技术的应用前景十分广阔,包括生物医疗设备,3D电子以及消费产品等。这甚至为产品设计提供了新的范式,可以从一开始就设计服务中所要求的各项配置。”


Credit: Z. Ding

本文译自 techxplore,由译者 CliffBao 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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