供稿人：羅盟，田小永，李滌塵 發(fā)布日期：2017-04-15
從2013年來自美國 MIT 的 Tibbits等人提出部分特定材料的3D打印件可隨時間在一定外環(huán)境刺激下發(fā)生形變的擴展的增材制造的概念開始，4D打印形成一股新的科技洪流開始蔓延在世界增材制造領(lǐng)域的諸多未來板塊上。而后，隨著Tibbits先后與Stratasys 有限公司 、Autodesk 、美國 Geosyntec 公司分別在打印材料、4D變形模擬軟件以及4D打印件的變形管道系統(tǒng)等方面的應(yīng)用的展開，4D打印在Tibbits這個“魔術(shù)師”的手中生動地為世界展現(xiàn)了基于顛覆傳統(tǒng)加工的增材制造方法在功能性拓展下的諸多可能性。
然而從Tibbits提出并實踐4D打印以來，借助濕度環(huán)境的改變來刺激打印件變形或狀態(tài)改變的研究內(nèi)容便始終是該領(lǐng)域的研究熱點，而其中在水溶液下的定向變形4D打印無疑最為普遍。然而大多數(shù)研究者則是利用“多層打印、層間吸水性差異”的方式來實現(xiàn)打印材料的定向變形彎曲。而與此同時，該打印方式也帶來了以下難以克服的缺陷：多層打印的工藝復雜性、層間結(jié)合性能差、變形的回復精度低等。
因此，在2016年，來自哈佛大學的A. Sydney Gladman 等人便借助植物細胞壁的吸水溶脹的靈感模擬植物細胞壁，從而打印出了內(nèi)部嵌有一定剛度短纖維絲的粘彈性水凝膠打印件。這種打印產(chǎn)品正是利用含有內(nèi)部纖維絲的打印材料，在不同的分布情況下能夠在水中產(chǎn)生差異較大的定向溶脹行為，從而一定程度上實現(xiàn)對于預打印材料的精確變形控制。該研究團隊發(fā)現(xiàn)在材料經(jīng)過打印噴頭時，內(nèi)部纖維絲分布會在噴嘴剪切誘導下趨于整齊排布，而通過改變噴嘴的形狀及尺寸，亦能有效改變打印件的溶脹變形情況，如圖1便示意展示了成形材料在打印過程中的纖維分布以及打印后徑向和軸向的溶脹變形差異。
圖1 仿細胞壁短纖維打印及變形示意圖 (a)打印過程纖維絲分布示意圖及 (b)打印件水下溶脹模擬示意圖
于是，借助經(jīng)典的Timoshenko模型進行精確模擬設(shè)計、控制打印的水凝膠內(nèi)部的各組分配比，該研究團隊模擬打印出了多個形狀各異的打印件進行變形模擬，如圖2便是模擬花瓣所打印出的較復雜形狀打印件以及模擬的復雜的蘭花的打印及變形模型。
圖2花瓣打印模型及溶脹變形模擬 (a)和(b)為不同出絲分布下相同花瓣外形的水下變形模擬圖；(c)為蘭花的打印模型及溶脹變形模擬圖；(d)為蘭花實體圖
該打印方式既可以借助各向異性動態(tài)重構(gòu)材料形態(tài)，也可以通過調(diào)節(jié)出絲大小、方向及打印間距通過模型精準預測在水中的打印結(jié)構(gòu)。為生物相容性下的水溶液中的4D變形研究開創(chuàng)性地提出了新思路，更是很可能應(yīng)用于組織工程、生物醫(yī)學設(shè)備和柔性機器人等多個應(yīng)用領(lǐng)域。