ETH通過市售的3D打印設(shè)備實現(xiàn)單一材料的4D打印

瑞士ETH蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院在3D打印復(fù)合材料,、4D甚至是5D打印方面積累了豐富的經(jīng)驗,。就在2015年,，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院還利用多材料磁力輔助3D打印系統(tǒng)（MM-3D printing）實現(xiàn)了5D打印,，開發(fā)出多功能的變形軟裝置,，這種裝置可以用于創(chuàng)建類似人體肌腱或者肌肉的機械連接系統(tǒng),，或者用于制造軟機器人的選擇性拾取-放置系統(tǒng),。

近日，ETH宣布通過市售的3D打印設(shè)備,，他們開發(fā)了4D材料,，這種無需機械動力的自運動材料，在航空航天,、國防,、醫(yī)療等多種應(yīng)用領(lǐng)域有著特殊的應(yīng)用前景。當(dāng)前,，大多數(shù)有關(guān)自運動材料的3D打印研究基本上使用刺激響應(yīng)形變塑料,。 這些塑料可分為兩個亞類：可編程形狀記憶塑料（programmable Shape Memory Polymers – SMPs）和人造水凝膠。 這兩種塑料形狀變化的機理差異很大,。

SMPs這種材料當(dāng)被冷卻到激活溫度以下（也稱為編程溫度）的時候,，SMPs材料將發(fā)生變形，而遇到加熱時,，SMPs材料的活性被激發(fā)并恢復(fù)至原始形狀,。人造水凝膠通過溶脹過程而與其環(huán)境中的流體發(fā)生反應(yīng)。 只要施加刺激,，水凝膠就會發(fā)生形狀的連續(xù)變化,。 在干燥環(huán)境中，隨著吸收的流體被蒸發(fā),，人造水凝膠就慢慢恢復(fù)永久形狀,。

SMPs的變形過程比較突變化，但形狀是記憶可控的,；人造水凝膠的變形過程比較連續(xù),，只要有外界的刺激存在，人造水凝膠的形狀就在持續(xù)的改變中,。如何研發(fā)出一種材料兼具SMPs和人造水凝膠的特點,，不僅形狀變化連續(xù)且嚴格可控,，而且形狀具有記憶性，這成為4D打印的一大挑戰(zhàn),。

ETH的研究人員先是表征3D打印塑料材料的熱力學(xué)性質(zhì),。 然后使用實驗數(shù)據(jù)構(gòu)建線性粘彈性本構(gòu)模型。 結(jié)合這個本構(gòu)模型的仿真通過三點彎曲試驗來進行驗證,。 接下來,，研究人員設(shè)計不同的模型來模擬、制作和測試活性材料的各種形狀轉(zhuǎn)換,。

為了實現(xiàn)變形過程的精準(zhǔn)控制,，超材料的形狀記憶周期是通過有限元模擬進行建模的。利用模擬的力位移數(shù)據(jù),，科學(xué)家們擬合了梁單元的人造剛度,，使其具有相同的力學(xué)行為。 此外,，簡化光束建模方法允許以較低的計算成本來模擬大型復(fù)雜結(jié)構(gòu),。

研究結(jié)果發(fā)表在“Large Shape Transforming 4D Auxetic Structures”論文中。這種通過市售的3D打印設(shè)備以及市售的3D打印材料所實現(xiàn)的4D打印,，其面積可以自延展到到百分之二百的程度,。引導(dǎo)這些復(fù)雜幾何運動的關(guān)鍵在于熱激活，通過時間的變化“通知”第四個維度 – 什么時候以及如何發(fā)生形狀變化,。

ETH的研究人員專注于設(shè)計的編程方面,，并強調(diào)通過簡化的程序來實現(xiàn)復(fù)雜的設(shè)計。在研究人員看來,，4D打印在配置變更無法手動實現(xiàn)以及機電驅(qū)動不可行的情況下（例如在航空航天和醫(yī)療領(lǐng)域）具有很大的潛力,。

在3D打印方面，為了展示輕松的可操作性,，研究人員所獲取的4D超材料實際上是由一種單一的材料制成的,，科學(xué)家們使用的設(shè)備是Stratasys Objet500 Connex3 3D打印機。該團隊指出,，這種通過對市售材料和設(shè)備的創(chuàng)新使用,，也擴大了在各種應(yīng)用中引入4D材料的潛力。

來源：3D科學(xué)谷

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