供稿人:鐘琪 田小永 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2020-09-07
3D打印雖然能夠創(chuàng)造復(fù)雜的形狀，但在制造速度和材料多樣性上并不具有優(yōu)勢(shì)。利用從2D到3D變形的4D打印的優(yōu)點(diǎn)是，它放棄了3D打印的逐層制造過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)了更快的生產(chǎn)方法。但是，目前通過(guò)4D打印可制作的零件形狀有限。此外，很難將截然不同的多種材料結(jié)合在一起。浙江大學(xué)的研究人員對(duì)4D打印的模塊化方法進(jìn)行了研究，并獲得了一定的突破。
該項(xiàng)研究的作者開(kāi)發(fā)了一種模塊化4D打印系統(tǒng)。這些4D打印模塊的材料屬性有明顯的不同，但卻可以組裝在一起。研究人員寫(xiě)道，他們的模塊化4D打印系統(tǒng)克服了上述技術(shù)的限制：“這種方法允許制造幾何復(fù)雜和功能多樣的變形設(shè)備，同時(shí)保持了制造速度優(yōu)勢(shì)?！迸e一個(gè)例子，作者寫(xiě)道:“PPIA20-IBOA80 (Tg=70℃)和PPIA50-PEA50 (Tm=50℃)的兩個(gè)4D打印樣品在粘接過(guò)程中通過(guò)局部施加一個(gè)小的力在非鉸接區(qū)域組裝在一起。通過(guò)形狀記憶機(jī)制，樣品在100°C時(shí)變形為平板，冷卻至0°C后固定。在重新加熱時(shí)，由于空間上不同的熱轉(zhuǎn)變，多材料組件自發(fā)進(jìn)行折疊，從而變形為一個(gè)球體?！?/p>
圖1 多材料模塊式組裝
模塊化4D打印系統(tǒng)使用了雙面數(shù)字光，投射到由光固化單體組成的打印前體上。這些單體包括動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵、光引發(fā)劑、光吸收劑和溶劑(甲苯)。當(dāng)溶液暴露在光下時(shí)，溶液被固化，光衰減增強(qiáng)，從而在平面外尺寸上建立固化梯度。當(dāng)未固化的單體和溶劑從固化膜中去除時(shí)，由于材料在平面外尺寸上的不均一性，使二維膜變形為三維膜。研究人員解釋說(shuō):“在這個(gè)過(guò)程中，打印前體的獨(dú)立變化可以產(chǎn)生具有可定制材料屬性的3D零件，我們稱(chēng)之為3D材料模塊?！泵總€(gè)模塊都有各自的形狀，可以通過(guò)模塊間界面處共價(jià)鍵動(dòng)態(tài)交換，實(shí)現(xiàn)操縱和連接。
圖2 模塊化4D打印工藝中，模塊之間共價(jià)鍵動(dòng)態(tài)交換
在論文的結(jié)語(yǔ)部分，研究人員解釋了這種模塊化結(jié)構(gòu)不僅具有4D打印的優(yōu)點(diǎn)，還可以通過(guò)材料模塊之間的界面鍵交換來(lái)操縱打印出的形狀，整合多種不同的材料。他們寫(xiě)道，“這些特性允許材料和結(jié)構(gòu)的多用途集成，從而為構(gòu)建具有幾何形狀指示功能的多響應(yīng)設(shè)備提供了可能?？偟膩?lái)說(shuō)，模塊化4D打印的概念擴(kuò)展了結(jié)構(gòu)復(fù)雜和功能多樣的變形裝置的技術(shù)范圍?！?/p>