4D打印可重塑世界的新技术

科技工作者之家 2018-03-23

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▲图为一段4D打印技术制造的一次成型电线。利用强大的4D技术,未来制造商也许能将电子产品和附属的电线一次性完成。

在美国化学协会(ACS)第255届全国博览会上,研究人员展示了4D打印技术的最新成果。

“3D和4D打印技术已到了一个转折点,在应用领域将很快迎来大规模的发展。”项目负责人齐航(H. Jerry Qi)博士说。“我们的打印机原型整合了传统3D打印机的多种性能,并经过简化和加速优化将其结合到一起。在研发中,我们能够用不同的材料同时制造出软硬度不同的部件,将导线直接整合到变形结构上。最终,这种方式将可以开发出多种4D产品,从而改变现有的制造业态。”

4D打印是一种新兴技术,它可以让3D打印生产的产品在温度、光照、湿度变化等环境触发因素下作用一段时间后改变形状。然而,4D打印技术面临着诸多挑战,部分原因在于后期需要耗时耗力地对各个部件进行机械设计。而且,商业化打印机仅能用单一材料打印4-D结构。

去年,齐航和乔治亚技术学院和新加坡技术设计大学的研究人员合作,利用丙烯酸纤维复合材料,环氧树脂,商业打印机,以及热源,制造出4D打印产品,如一朵花瓣能开合的花朵、一颗能变形为半圆球形的星星。它们的形状变化速度比过去快了90%,因为科学家将单调的机械设计步骤直接包含在了3D打印步骤当中。

以此为基础,研究人员又将四种不同的打印技术——包括喷雾、喷墨、直接印码和熔融沉积成形技术——结合在一起,进一步研制出的新打印机,它既能处理坚硬材料,也可以处理可延展性材料,包括水凝胶、银纳米粒子可导电油墨、液体水晶弹性体、形状记忆聚合物(或称SMP)。在4D打印中常常使用SMP,它可以“记忆”某个形状,受热时即恢复到那个形状。

研究人员还利用打印机投射出各种黑白灰度的光源,以形成和固化某个部分。不同饱和度度的光照可以触发交联反应,改变部件的‘行为’,例如亮色的光照形成的固体要比暗色光线更硬。其结果是,形成的较为柔软的部分比周围其他部分更易于弯曲或延展成为所需要的形状。

新的4D打印机模型还能打印电线,并直接印在诸如天线、感应元等其他电子设备上。其方法是,用银纳米粒子墨水通过直接写码方式印出线路,再用光子烘晒组件将纳米粒子干燥、连接合并成电线。最后,打印机的喷墨组件再制造出电线的塑料外皮,将金属线芯封在里面。

目前,齐博士团队正在与亚特兰大儿童保健部门合作,研发可以为先天手臂畸形的孩子打印假手的新技术。

科界原创

  编译:馥莉 审稿:西莫  编辑:张梦

来源:https://www.sciencedaily.com/releases/2018/03/180321090938.htm


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