新技術使3D打印對象在加熱下改變形狀
隨著3D打印技術的發展，研究工作會進入到一個新的階段，這只是時間問題。“4D打印”是最近定義的一個屬于，用于描述現有3D打印技術和火星材料科學的集成，以創建可以通過如溫度和濕度等環境刺激改變其配置的打印組件。對于這些研究，這意味著需要更緊密地將機械編程后處理步驟納入3D打印過程，以節省時間和材料。
來自佐治亞理工學院、新加坡理工大學和設計學院（SUTD）以及中國西安交通大學的研究人員團隊最近開發出一種新的3D打印方法，創造出可以永久改變其形狀的物體。使用Stratasys的多材料Objet 3D打印機，團隊鋪設了多層形狀記憶聚合物，每層設計成在暴露于熱量時有不同的反應。
智能形狀記憶聚合物（SMP）是一種具有“記住”形狀并在施加均勻熱量時改變為另一程序形狀的材料。為了研究的目的，該團隊創建了一個具有花瓣的雛菊模型，其類似于暴露于陽光下的真實花朵，以及可以擴展其原始尺寸八倍的格子狀物體。
喬治亞理工學院喬治·伍德魯夫機械工程學院教授Jay Jerry Qi說：“新工藝將節省添加劑制造過程中的重要時間和材料，同時消除設計和制造工作中耗時的機械設計。高分辨率3D打印組件可以通過計算機模擬，3D打印設計，然后通過簡單加熱直接快速轉換成新的永久配置。”
“典型的工藝要求：1）加熱聚合物；2）將聚合物機械地變形成第二形狀；3）降低溫度；4）消除外部負荷，”他說。“聚合物保持在變形的形狀（我們稱之為‘編程形狀’）。要恢復，只需要再次加熱聚合物，聚合物將恢復其原始（永久）形狀。在我們的新方法中，只需加熱打印結構（不需要機械變形），就會變成新的形狀。”
使用新工藝，新形狀保持穩定，在進一步加熱或冷卻時不會改變。更有趣的是，根據團隊聲稱，這種新材料可以具有形狀記憶效應，但它將以新的形狀作為其永久形狀。
允許高分辨率的3D可重復編程結構的過程將能夠實現跨領域的各種應用，包括航空航天、醫療技術和消費產品。甚至可能允許產品設計中的新范例，其中組件可以同時設計為在服務期間變成多種配置。
Qi博士說：“對于設計工程師而言，該方法將是設計薄而靈活結構的理想方式。”
“在這里，形狀的變化是由于不同的材料的放置，這不是傳統設計方法中考慮的一部分，”他說。“此外，由于新形狀（加熱后的形狀）是永久形狀，因此設計需要考慮3D和4D打印形狀，這也是新的。我們的新方法可以大大節省打印時間和材料。”
據研究團隊表示，精確的數字取決于結構，但平均來說，該過程可以節省60％至70％的打印時間和打印材料。它還可以為包裝和運輸過程提供令人信服的好處：薄而扁平的物品可以平放交付，然后在被加熱以變成更復雜形狀的較大結構。醫療應用也是令人信服的：例如生物醫學支架。
Qi博士說：“我們可以使用我們擴展的晶格設計將結構打印成管。將管放入血管后，我們可以使用體溫或一些外部加熱來部署。管將顯著膨脹并保持擴張的形狀。
未來，研究團隊希望對不同材料如何提供不同（更好或更壞）的反應有更深入的了解。他們還計劃嘗試不同的設計，并尋找工業合作者進一步研究該過程。
據悉，該研究結果發表在“美國科學促進會出版物”雜志上。研究資金來自于美國空軍科學研究辦公室、美國國家科學基金會和新加坡國家研究基金會。
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