初識4D打印技術(shù) 科學(xué)家開發(fā)出多種可變形的4D打印結(jié)構(gòu)

對于4D打印,了解的朋友比較少.國內(nèi)的3D打印技術(shù)發(fā)展還不是那么的讓人所熟知,4D打印已經(jīng)是跨過3D打印的一種新技術(shù)了.尤如國內(nèi)的3G,4G通信,有些地方3G信號不是很好,直接蹦到4G是否有點過于草率,當(dāng)然,這個比喻不是很恰當(dāng),大家諒解.廢話少說,進(jìn)入正題!

何謂4D打印

所謂的4D打印，比3D打印多了一個“D”也就是時間緯度，人們可以通過軟件設(shè)定模型和時間，變形材料會在設(shè)定的時間內(nèi)變形為所需的形狀。準(zhǔn)確地說4D打印是一種能夠自動變形的材料，直接將設(shè)計內(nèi)置到物料當(dāng)中，不需要連接任何復(fù)雜的機電設(shè)備，就能按照產(chǎn)品設(shè)計自動折疊成相應(yīng)的形狀。4D打印最關(guān)鍵是記憶合金。大小形狀可以隨時間變化。

4D打印“延續(xù)了3D打印，并添加了變形維度”。其想法是，當(dāng)處于不同環(huán)境下，比如水中或者極端溫度下，3D打印出來的部件的性能可以隨之改變。

日前，美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的一個研究團隊展示了一種特殊的3D打印技術(shù)，使用這種技術(shù)3D打印出來的結(jié)構(gòu)能夠變形，當(dāng)暴露于熱環(huán)境或者受到電流刺激的時候，這種3D打印結(jié)構(gòu)能夠折疊或者展開以改變形狀，也就是我們常說的4D打印。據(jù)e鍵打印了解，這種帶微型結(jié)構(gòu)的對象是用該實驗室自行開發(fā)的一種能夠響應(yīng)環(huán)境的導(dǎo)電性聚合物制造的。

在《Scientific Reports》雜志最近發(fā)表的一篇文章中，LLNL的研究人員透露了他們打算使用形狀記憶聚合物或者基于生物的“智能”材料打造立方體、螺旋和球形的計劃。據(jù)悉，這些材料在通過電阻加熱或者暴露在適當(dāng)?shù)臏囟戎聲r會出現(xiàn)形狀的變化。

實驗室研究員Jennifer Rodriguez在一個3D打印的盒子，這個盒子“被編程為”受熱時會折疊和展開

這種在3D打印中使用敏感材料的方法，通常被稱為“4D打印”，并不是最近才出現(xiàn)的，e鍵打印之前也曾經(jīng)報道過。關(guān)鍵在于，LLNL的研究人員這次是首次將3D打印技術(shù)以及之后的折疊過程（通過折紙的方法）與能夠?qū)щ姷闹悄懿牧辖Y(jié)合起來，以打造出復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

在論文中，研究人員描述了用一種用大豆油加上共聚物和納米碳纖維制成的墨水創(chuàng)建出基本形狀，然后在設(shè)計溫度下（由其化學(xué)成分決定）將它們“編程”為一種臨時形狀。然后通過環(huán)境熱能或者是電流加熱誘導(dǎo)出材料的變形效果，它能夠從從部件的臨時形狀恢復(fù)到原來的形狀。

通過一種直接墨水寫入的3D打印工藝，LLNL的科學(xué)家們制造出了幾種類型的結(jié)構(gòu)，包括一種暴露在熱環(huán)境中能夠變大的支架。

“這就像做蛋糕。”該論文的主要作者Jennifer Rodriguez說，她是LLNL材料工程部的一位博士后。“當(dāng)你把它拿出爐之前所有的都已經(jīng)設(shè)定好了，我們在這種聚合物最初凝膠化之后就通過折疊或者扭搓設(shè)定好了該部件的永久結(jié)構(gòu)。”

最終，Rodriguez說，研究人員可以使用這種材料創(chuàng)建出非常復(fù)雜的零件。

“如果我們用這些配方具有不同轉(zhuǎn)變溫度的多種版本3D打印出一個部件，然后慢慢升高溫度，它們就會以分段的方式進(jìn)行擴展，并且展開成復(fù)雜得多的東西。”她說。

通過直接墨水寫入3D打印工藝，研究團隊制造出了幾種類型的結(jié)構(gòu)——比如一個彎曲的導(dǎo)電裝置，當(dāng)遇到電流或者熱時就會變直；一個疊起來的支架，遇熱后會展開；還有一個盒子，在遇熱后會打開或關(guān)閉。

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科學(xué)家們說，這一技術(shù)可以用于醫(yī)療、航空航天（比如陣列式的太陽能電池或者能展開的天線），以及柔性電路和機械設(shè)備等領(lǐng)域。據(jù)悉，這項研究源于LLNL內(nèi)部的一個開發(fā)高性能3D打印碳纖維復(fù)合材料的實驗室指導(dǎo)研究與開發(fā)項目。

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