无需外力无限可逆，双层组件可逆4D打印的初步研究

2020年3月9日，南极熊从外媒获悉，新加坡科技与设计大学（SUTD）与南洋理工大学（NTU）合作了一项研究，使3D打印材料的形状发生变化后，可以在无任何电气输入的情况下无数次返回。

这项研究的标题为“双层组件可逆4D打印的初步研究”，由Amelia Yilin Lee，Jia An，Chee Kai Chua和Zhang Yi合著。它于2019年12月发表在《 Engineering》杂志上。

（a）不可逆的（单向）形状记忆效应； （b）可逆（双向）形状记忆效应。

可逆4D打印

当3D打印对象的形状随时间变化时，称为4D打印。可逆4D打印是指能够更改回原始3D打印形状的能力。最初的形状变化通常是由热量或水引起的，但是要恢复形状，通常需要以拉伸或牵拉的形式进行手动输入，这可能既费时又费力。

近年来，研究人员已经对自动可逆4D打印给予了一定的关注，水凝胶是无需人工干预即可实现可逆性的主要刺激因素。但由于水凝胶缺乏机械强度，其应用受到限制。

SUTD和NTU的研究实现了可逆的4D打印，而无需水凝胶或人工施加压力来解决这些挑战。

在编程阶段，分三个步骤。

步骤1：将第一个永久形状暴露于乙醇中；

步骤2：将形状从乙醇中移出并在60°C的水中加热，以形成第二种永久形状；

步骤3：将组件冷却以使组件固定在第二个永久形状中。

在恢复阶段，有两个步骤。

步骤4：将组件干燥。

步骤5：将部件加热以恢复到第一永久形状。

VeroWhitePlus和TangoBlackPlus

研究使用的材料是VeroWhitePlus和TangoBlackPlus，它们很容易获得并且与3D polyjet工艺兼容。该团队首先证明了这些材料在改变形状期间和之后能够保持相当大的机械强度。

该方法涉及用乙醇溶胀弹性体以代替水凝胶溶胀的功能。这是为了在过渡材料上产生应力。加热时，过渡材料将其形状更改为第二种形式。当乙醇蒸发并且弹性体干燥时，过渡材料的二次加热将其还原回其原始形状，因为弹性体由于干燥后存储在其中的弹性能而将过渡材料拉回。弹性体在工作中起着双重作用，因为它既可以在编程阶段引起应力，又可以在回复过程中将弹性能存储在材料中。

△可逆循环的两个主要阶段：编程和恢复。

研究还得出结论，与手动强制对象还原相比，使用本方法还原时更为精确。可逆4D打印尚处于早期阶段，但该合作项目为自动可逆4D打印背后的机制提供了深刻见解。该团队希望继续使用新材料对该技术进行试验。

SUTD首席研究员兼工程产品开发负责人Chua Chee Kai教授说：“虽然可逆4D打印本身是一个很大的进步，但能够使用更坚固的材料同时确保形状变化期间更精确的反转是革命性的，因为它使我们能够生产复杂的结构，而这些结构是传统制造无法轻易实现的。通过依靠环境条件而不是电力，它使各个行业的游戏规则发生了改变，从而彻底改变了我们设计，创建，包装和运输产品的方式，”

可逆4D打印结构，SUTD拍摄的照片。

通过合并下一个维度，4D打印自然是3D打印的下一步。 但是，要使4D打印与当前3D打印技术的先进性相匹配，研究人员必须提高在给定时间段内创建光滑复杂表面的能力。 哈佛大学的科学家此前曾通过4D打印结构对光滑复杂的表面进行过实验，该结构在盐水中放置时具有人脸形状。 在罗格斯大学（Rutgers University）的其他地方，研究人员创建了具有生物启发性的可编程微针，可使用投影微立体光刻技术增强组织粘附力。

编译自：3dprintingindustry