举个栗子:3D打印还没玩过瘾,4D打印又来了?

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科罗拉多大学博尔德分校(University of Colorado Boulder)的科研人员成功地在他们的3D(三维)打印技术上增加了第四个维度,开辟了激动人心的前景:人们可以在生产、包装和生物医药等领域,制造和利用具有适应性的复合材料。

由科罗拉多大学博尔德分校的机械工程副教授H?杰瑞?齐(H. Jerry Qi),及其合作者新加坡科技设计大学(Singapore University of Technology and Design)的马丁?邓恩(Martin L. Dunn)领导的研究小组已经开发并测试了一种4D打印方法。研究人员利用传统3D打印技术将具有“形状记忆”特性的聚合纤维纳入到复合材料中,使得这种有固定外形的产品可以在加工完成之后,再被变成另一种外形。

“在这项工作中,我们利用3D打印技术先打印出初始形状,然后通过事先设定好形状记忆纤维的变化,使产品外形随着时间而产生改变——这就是4D打印。”邓恩说道,他曾是科罗拉多大学博尔德分校机械工程的教职人员,研究复合材料的力学和物理原理已经超过二十年了。

4D打印的概念,即允许材料进行“自我组装”而形成3D结构,是由麻省理工的斯凯拉?蒂比茨(Skylar Tibbits)在今年4月首先提出的。蒂比茨和他的小组把一股塑料和一层 “智能”材料结合在一起,做出了可以在水中自我组装的产品。

“我们拓展了这个概念,制造出了多种复合材料。它们能够通过另一种物理机制变形成几种不同的复杂形状。”邓恩说,“利用形状记忆聚合纤维来使复合材料产生所期望的形状改变的秘密,在于纤维的结构如何设计,包括它们的位置、方向以及其他一些因素。”

科罗拉多大学博尔德分校研究小组的研究结果上个月发表在《应用物理快报》上,琦?凯文?葛(Qi “Kevin” Ge)是论文的共同作者,他9月份作为博士后研究助理加入了麻省理工学院(MIT)。

令人着迷的是这些形状是在设计阶段定义的,这在几年前是无法达成的。”齐教授说。

科罗拉多大学博尔德分校的研究小组证明,记忆纤维在复合材料中的方向和位置决定了形状记忆效应(比如折叠、卷曲、伸展或扭转)的强度大小。研究人员还通过加热或冷却复合材料的方式展示了对这些效应的控制力。

齐教授说,虽然3D打印技术已经有大约30年的历史,但只是在最近才发展到这一阶段:人们可以通过把活性纤维纳入到复合材料中,预先设定材料在面对热处理和机械力时的反应。

令人兴奋的是,这一技术具有广泛的应用前景。齐教授说一块太阳能板或类似产品可以在生产出来时呈扁平外形,便于安装一些功能性装置。然后它可以变成很紧凑的外形以利于包装和运输,在到达目的地后它又可以被激活,变成另一种可以使其性能最优化的外形。

随着打印材料的丰富,以及更大尺度打印分辨率的提升,3D打印技术愈发成熟,而4D打印技术的出现,将使人们能够以新的途径来制造可逆的或可变的三维表面和固体物件,比如汽车、飞机和天线用到的具有复杂外形的复合材料壳层等等。

(作者:无穷的探索)

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