新的3D打印方法制造形状可变的物体

3D打印技术出现在20世纪90年代中期，实际上是利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置。它与普通打印工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。这打印技术称为3D立体打印技术。

乔治亚理工学院的多材料3D打印机制作的一个晶格，其在加热后可以永久地扩展到原来宽度的八倍。

来自乔治亚理工学院和其他两个机构的一组研究人员开发了一种新的3D打印方法，用于制造可以对热做出反应而永久地转换成一系列不同形状的物体。

这个包括来自新加坡科技设计大学(SUTD)和中国西安交通大学的研究人员的团队，通过打印形状记忆高分子层来制作物体，这些高分子层的每一层在被加热的时候反应都不一样。

“通过将机械编程后处理步骤直接合并到3D打印过程中，这种新方法大大简化过程和增加了4D打印的潜力，”Jerry Qi说，“这使得佐治亚理工学院的高分辨率三维打印部件可以通过计算机模拟，用3D打印来制作，然后通过简单的加热直接快速地使其变成新的永久的形状。”

这项研究发表在了4月12日的《科学进步》杂志上，这是美国科学促进协会的一份出版物。这项工作由美国空军科研办公室，美国国家科学基金会资助，并获得了新加坡国家研究基金会通过SUTD DManD中心进行的资助。

他们对这些新的3D打印物体的开发使用了该工作团队以前完成的工作——使用智能形状记忆聚合物(SMP)，这些聚合物可以记住一个形状并在被均匀加热时变化成另一个预先设计好的形状，从而使得物体可以沿着铰链将自己折叠起来。

“这种方法可以在打印时间和打印材料方面节省高达百分之九十，同时完全消除了设计和制造流程中耗时的机械编程，”Qi说。

为了说明该新工艺的能力，团队制作了几个在进入热水时可以迅速弯曲或张开的物体——包括一朵花瓣可以像真正的雏菊一样对阳光做出反应而弯曲的花，还有一个能扩大到其原始尺寸近八倍的晶格状物体。

“我们的复合材料含有一种在室温下的软质材料，可以通过程序来使其具有内部应力，而其他的材料是硬的，”新加坡科技设计大学博士后研究员Zhen Ding说。“我们使用计算模拟来设计复合材料的零件，其中刚性材料的形状和尺寸可以在3D打印后防止软质材料释放程序植入的内应力。加热后，硬材料软化，使得软材料能够释放其应力，而这会导致在产品形状发生改变——而这种变化通常是非常巨大的。

这种新的四维物体可以使一系列新的产品功能成为可能，比如可以在运输过程中平放或卷起来，然后在使用时展开一次的的产品，研究人员说。最终，该技术可以使组件能够以精确的定时方式来对温度，湿度或光等刺激做出相应，以制造空间结构，可内置的医疗设备，机器人，玩具和其他很多结构。

“这项工作的主要进展是一个大大简化了的四维印刷方法，其使得我们能够制造高分辨率的三维复杂可编程产品”新加坡科技设计大学的Martin L. Dunn教授说，他同时也是新加坡科技设计大学数字制造和设计中心主任。“它有望使生物医学设备，三维电子产品，消费产品等领域的无数应用成为可能。它甚至为产品设计打开了一扇新的大门，在这里，组件一开始被设计好，以使其在使用过程中产生多种配置。