隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，研究工作會(huì)進(jìn)入到一個(gè)新的階段，這只是時(shí)間問題。“4D打印”是最近定義的一個(gè)屬于，用于描述現(xiàn)有3D打印技術(shù)和火星材料科學(xué)的集成，以創(chuàng)建可以通過如溫度和濕度等環(huán)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(jī)械編程后處理步驟納入3D打印過程，以節(jié)省時(shí)間和材料。

來自佐治亞理工學(xué)院、新加坡理工大學(xué)和設(shè)計(jì)學(xué)院（SUTD）以及中國西安交通大學(xué)的研究人員團(tuán)隊(duì)最近開發(fā)出一種新的3D打印方法，創(chuàng)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(jī)，團(tuán)隊(duì)鋪設(shè)了多層形狀記憶聚合物，每層設(shè)計(jì)成在暴露于熱量時(shí)有不同的反應(yīng)。

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(shí)改變?yōu)榱硪怀绦蛐螤畹牟牧稀�為了研究的目的，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一個(gè)具有花瓣的雛菊模型，其類似于暴露于陽光下的真實(shí)花朵，以及可以擴(kuò)展其原始尺寸八倍的格子狀物體。

喬治亞理工學(xué)院喬治·伍德魯夫機(jī)械工程學(xué)院教授Jay Jerry Qi說：“新工藝將節(jié)省添加劑制造過程中的重要時(shí)間和材料，同時(shí)消除設(shè)計(jì)和制造工作中耗時(shí)的機(jī)械設(shè)計(jì)。高分辨率3D打印組件可以通過計(jì)算機(jī)模擬，3D打印設(shè)計(jì)，然后通過簡單加熱直接快速轉(zhuǎn)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(jī)械地變形成第二形狀；3）降低溫度；4）消除外部負(fù)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(fù)，只需要再次加熱聚合物，聚合物將恢復(fù)其原始（永久）形狀。在我們的新方法中，只需加熱打印結(jié)構(gòu)（不需要機(jī)械變形），就會(huì)變成新的形狀。”

使用新工藝，新形狀保持穩(wěn)定，在進(jìn)一步加熱或冷卻時(shí)不會(huì)改變。更有趣的是，根據(jù)團(tuán)隊(duì)聲稱，這種新材料可以具有形狀記憶效應(yīng)，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(fù)編程結(jié)構(gòu)的過程將能夠?qū)崿F(xiàn)跨領(lǐng)域的各種應(yīng)用，包括航空航天、醫(yī)療技術(shù)和消費(fèi)產(chǎn)品。甚至可能允許產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的新范例，其中組件可以同時(shí)設(shè)計(jì)為在服務(wù)期間變成多種配置。

Qi博士說：“對于設(shè)計(jì)工程師而言，該方法將是設(shè)計(jì)薄而靈活結(jié)構(gòu)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(tǒng)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(jié)省打印時(shí)間和材料。”

據(jù)研究團(tuán)隊(duì)表示，精確的數(shù)字取決于結(jié)構(gòu)，但平均來說，該過程可以節(jié)省60％至70％的打印時(shí)間和打印材料。它還可以為包裝和運(yùn)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(fù)雜形狀的較大結(jié)構(gòu)。醫(yī)療應(yīng)用也是令人信服的：例如生物醫(yī)學(xué)支架。

Qi博士說：“我們可以使用我們擴(kuò)展的晶格設(shè)計(jì)將結(jié)構(gòu)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?jǐn)U張的形狀。

未來，研究團(tuán)隊(duì)希望對不同材料如何提供不同（更好或更壞）的反應(yīng)有更深入的了解。他們還計(jì)劃嘗試不同的設(shè)計(jì)，并尋找工業(yè)合作者進(jìn)一步研究該過程。

據(jù)悉，該研究結(jié)果發(fā)表在“美國科學(xué)促進(jìn)會(huì)出版物”雜志上。研究資金來自于美國空軍科學(xué)研究辦公室、美國國家科學(xué)基金會(huì)和新加坡國家研究基金會(huì)。

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