3D打印技術(shù)出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代中期，實(shí)際上是利用光固化和紙層疊等技術(shù)的最新快速成型裝置。它與普通打印工作原理基本相同，打印機(jī)內(nèi)裝有液體或粉末等“打印材料”，與電腦連接后，通過(guò)電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來(lái)，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。這打印技術(shù)稱為3D立體打印技術(shù)。

喬治亞理工學(xué)院的多材料3D打印機(jī)制作的一個(gè)晶格，其在加熱后可以永久地?cái)U(kuò)展到原來(lái)寬度的八倍。

來(lái)自喬治亞理工學(xué)院和其他兩個(gè)機(jī)構(gòu)的一組研究人員開(kāi)發(fā)了一種新的3D打印方法，用于制造可以對(duì)熱做出反應(yīng)而永久地轉(zhuǎn)換成一系列不同形狀的物體。

這個(gè)包括來(lái)自新加坡科技設(shè)計(jì)大學(xué)(SUTD)和中國(guó)西安交通大學(xué)的研究人員的團(tuán)隊(duì)，通過(guò)打印形狀記憶高分子層來(lái)制作物體，這些高分子層的每一層在被加熱的時(shí)候反應(yīng)都不一樣。

“通過(guò)將機(jī)械編程后處理步驟直接合并到3D打印過(guò)程中，這種新方法大大簡(jiǎn)化過(guò)程和增加了4D打印的潛力，”Jerry Qi說(shuō)，“這使得佐治亞理工學(xué)院的高分辨率三維打印部件可以通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬，用3D打印來(lái)制作，然后通過(guò)簡(jiǎn)單的加熱直接快速地使其變成新的永久的形狀。”

這項(xiàng)研究發(fā)表在了4月12日的《科學(xué)進(jìn)步》雜志上，這是美國(guó)科學(xué)促進(jìn)協(xié)會(huì)的一份出版物。這項(xiàng)工作由美國(guó)空軍科研辦公室，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)資助，并獲得了新加坡國(guó)家研究基金會(huì)通過(guò)SUTD DManD中心進(jìn)行的資助。

他們對(duì)這些新的3D打印物體的開(kāi)發(fā)使用了該工作團(tuán)隊(duì)以前完成的工作——使用智能形狀記憶聚合物(SMP)，這些聚合物可以記住一個(gè)形狀并在被均勻加熱時(shí)變化成另一個(gè)預(yù)先設(shè)計(jì)好的形狀，從而使得物體可以沿著鉸鏈將自己折疊起來(lái)。

“這種方法可以在打印時(shí)間和打印材料方面節(jié)省高達(dá)百分之九十，同時(shí)完全消除了設(shè)計(jì)和制造流程中耗時(shí)的機(jī)械編程，”Qi說(shuō)。

為了說(shuō)明該新工藝的能力，團(tuán)隊(duì)制作了幾個(gè)在進(jìn)入熱水時(shí)可以迅速?gòu)澢驈堥_(kāi)的物體——包括一朵花瓣可以像真正的雛菊一樣對(duì)陽(yáng)光做出反應(yīng)而彎曲的花，還有一個(gè)能擴(kuò)大到其原始尺寸近八倍的晶格狀物體。

“我們的復(fù)合材料含有一種在室溫下的軟質(zhì)材料，可以通過(guò)程序來(lái)使其具有內(nèi)部應(yīng)力，而其他的材料是硬的，”新加坡科技設(shè)計(jì)大學(xué)博士后研究員Zhen Ding說(shuō)。“我們使用計(jì)算模擬來(lái)設(shè)計(jì)復(fù)合材料的零件，其中剛性材料的形狀和尺寸可以在3D打印后防止軟質(zhì)材料釋放程序植入的內(nèi)應(yīng)力。加熱后，硬材料軟化，使得軟材料能夠釋放其應(yīng)力，而這會(huì)導(dǎo)致在產(chǎn)品形狀發(fā)生改變——而這種變化通常是非常巨大的。

這種新的四維物體可以使一系列新的產(chǎn)品功能成為可能，比如可以在運(yùn)輸過(guò)程中平放或卷起來(lái)，然后在使用時(shí)展開(kāi)一次的的產(chǎn)品，研究人員說(shuō)。最終，該技術(shù)可以使組件能夠以精確的定時(shí)方式來(lái)對(duì)溫度，濕度或光等刺激做出相應(yīng)，以制造空間結(jié)構(gòu)，可內(nèi)置的醫(yī)療設(shè)備，機(jī)器人，玩具和其他很多結(jié)構(gòu)。

“這項(xiàng)工作的主要進(jìn)展是一個(gè)大大簡(jiǎn)化了的四維印刷方法，其使得我們能夠制造高分辨率的三維復(fù)雜可編程產(chǎn)品”新加坡科技設(shè)計(jì)大學(xué)的Martin L. Dunn教授說(shuō)，他同時(shí)也是新加坡科技設(shè)計(jì)大學(xué)數(shù)字制造和設(shè)計(jì)中心主任。“它有望使生物醫(yī)學(xué)設(shè)備，三維電子產(chǎn)品，消費(fèi)產(chǎn)品等領(lǐng)域的無(wú)數(shù)應(yīng)用成為可能。它甚至為產(chǎn)品設(shè)計(jì)打開(kāi)了一扇新的大門，在這里，組件一開(kāi)始被設(shè)計(jì)好，以使其在使用過(guò)程中產(chǎn)生多種配置。