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。

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。”

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 CliffBao 编辑发布。