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初识4D打印技术 科学家开发出多种可变形的4D打印结构

来源:e键打印   发布时间:2016-08-25 11:34:54   浏览次数:1123

初识4D打印技术 科学家开发出多种可变形的4D打印结构

对于4D打印,了解的朋友比较少.国内的3D打印技术发展还不是那么的让人所熟知,4D打印已经是跨过3D打印的一种新技术了.尤如国内的3G,4G通信,有些地方3G信号不是很好,直接蹦到4G是否有点过于草率,当然,这个比喻不是很恰当,大家谅解.废话少说,进入正题!

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何谓4D打印


所谓的4D打印,比3D打印多了一个“D”也就是时间纬度,人们可以通过软件设定模型和时间,变形材料会在设定的时间内变形为所需的形状。准确地说4D打印是一种能够自动变形的材料,直接将设计内置到物料当中,不需要连接任何复杂的机电设备,就能按照产品设计自动折叠成相应的形状。4D打印最关键是记忆合金。大小形状可以随时间变化。

4D打印“延续了3D打印,并添加了变形维度”。其想法是,当处于不同环境下,比如水中或者极端温度下,3D打印出来的部件的性能可以随之改变。

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日前,美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)的一个研究团队展示了一种特殊的3D打印技术,使用这种技术3D打印出来的结构能够变形,当暴露于热环境或者受到电流刺激的时候,这种3D打印结构能够折叠或者展开以改变形状,也就是我们常说的4D打印。据e键打印了解,这种带微型结构的对象是用该实验室自行开发的一种能够响应环境的导电性聚合物制造的。


在《Scientific Reports》杂志最近发表的一篇文章中,LLNL的研究人员透露了他们打算使用形状记忆聚合物或者基于生物的“智能”材料打造立方体、螺旋和球形的计划。据悉,这些材料在通过电阻加热或者暴露在适当的温度之下时会出现形状的变化。


实验室研究员Jennifer Rodriguez在一个3D打印的盒子,这个盒子“被编程为”受热时会折叠和展开


这种在3D打印中使用敏感材料的方法,通常被称为“4D打印”,并不是最近才出现的,e键打印之前也曾经报道过。关键在于,LLNL的研究人员这次是首次将3D打印技术以及之后的折叠过程(通过折纸的方法)与能够导电的智能材料结合起来,以打造出复杂的结构。

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在论文中,研究人员描述了用一种用大豆油加上共聚物和纳米碳纤维制成的墨水创建出基本形状,然后在设计温度下(由其化学成分决定)将它们“编程”为一种临时形状。然后通过环境热能或者是电流加热诱导出材料的变形效果,它能够从从部件的临时形状恢复到原来的形状。


通过一种直接墨水写入的3D打印工艺,LLNL的科学家们制造出了几种类型的结构,包括一种暴露在热环境中能够变大的支架。


“这就像做蛋糕。”该论文的主要作者Jennifer Rodriguez说,她是LLNL材料工程部的一位博士后。“当你把它拿出炉之前所有的都已经设定好了,我们在这种聚合物最初凝胶化之后就通过折叠或者扭搓设定好了该部件的永久结构。”


最终,Rodriguez说,研究人员可以使用这种材料创建出非常复杂的零件。


“如果我们用这些配方具有不同转变温度的多种版本3D打印出一个部件,然后慢慢升高温度,它们就会以分段的方式进行扩展,并且展开成复杂得多的东西。”她说。


通过直接墨水写入3D打印工艺,研究团队制造出了几种类型的结构——比如一个弯曲的导电装置,当遇到电流或者热时就会变直;一个叠起来的支架,遇热后会展开;还有一个盒子,在遇热后会打开或关闭。

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科学家们说,这一技术可以用于医疗、航空航天(比如阵列式的太阳能电池或者能展开的天线),以及柔性电路和机械设备等领域。据悉,这项研究源于LLNL内部的一个开发高性能3D打印碳纤维复合材料的实验室指导研究与开发项目。

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