新技术使3D打印对象在加热下改变形状

风云岛

随着3D打印技术的发展，研究工作会进入到一个新的阶段，这只是时间问题。“4D打印”是最近定义的一个属于，用于描述现有3D打印技术和火星材料科学的集成，以创建可以通过如温度和湿度等环境刺激改变其配置的打印组件。对于这些研究，这意味着需要更紧密地将机械编程后处理步骤纳入3D打印过程，以节省时间和材料。


来自佐治亚理工学院、新加坡理工大学和设计学院（SUTD）以及中国西安交通大学的研究人员团队最近开发出一种新的3D打印方法，创造出可以永久改变其形状的物体。使用Stratasys的多材料Objet 3D打印机，团队铺设了多层形状记忆聚合物，每层设计成在暴露于热量时有不同的反应。
智能形状记忆聚合物（SMP）是一种具有“记住”形状并在施加均匀热量时改变为另一程序形状的材料。为了研究的目的，该团队创建了一个具有花瓣的雏菊模型，其类似于暴露于阳光下的真实花朵，以及可以扩展其原始尺寸八倍的格子状物体。

乔治亚理工学院乔治·伍德鲁夫机械工程学院教授Jay Jerry Qi说：“新工艺将节省添加剂制造过程中的重要时间和材料，同时消除设计和制造工作中耗时的机械设计。高分辨率3D打印组件可以通过计算机模拟，3D打印设计，然后通过简单加热直接快速转换成新的永久配置。”


“典型的工艺要求：1）加热聚合物；2）将聚合物机械地变形成第二形状；3）降低温度；4）消除外部负荷，”他说。“聚合物保持在变形的形状（我们称之为‘编程形状’）。要恢复，只需要再次加热聚合物，聚合物将恢复其原始（永久）形状。在我们的新方法中，只需加热打印结构（不需要机械变形），就会变成新的形状。”


使用新工艺，新形状保持稳定，在进一步加热或冷却时不会改变。更有趣的是，根据团队声称，这种新材料可以具有形状记忆效应，但它将以新的形状作为其永久形状。


允许高分辨率的3D可重复编程结构的过程将能够实现跨领域的各种应用，包括航空航天、医疗技术和消费产品。甚至可能允许产品设计中的新范例，其中组件可以同时设计为在服务期间变成多种配置。


Qi博士说：“对于设计工程师而言，该方法将是设计薄而灵活结构的理想方式。”


“在这里，形状的变化是由于不同的材料的放置，这不是传统设计方法中考虑的一部分，”他说。“此外，由于新形状（加热后的形状）是永久形状，因此设计需要考虑3D和4D打印形状，这也是新的。我们的新方法可以大大节省打印时间和材料。”


据研究团队表示，精确的数字取决于结构，但平均来说，该过程可以节省60％至70％的打印时间和打印材料。它还可以为包装和运输过程提供令人信服的好处：薄而扁平的物品可以平放交付，然后在被加热以变成更复杂形状的较大结构。医疗应用也是令人信服的：例如生物医学支架。


Qi博士说：“我们可以使用我们扩展的晶格设计将结构打印成管。将管放入血管后，我们可以使用体温或一些外部加热来部署。管将显著膨胀并保持扩张的形状。


未来，研究团队希望对不同材料如何提供不同（更好或更坏）的反应有更深入的了解。他们还计划尝试不同的设计，并寻找工业合作者进一步研究该过程。


据悉，该研究结果发表在“美国科学促进会出版物”杂志上。研究资金来自于美国空军科学研究办公室、美国国家科学基金会和新加坡国家研究基金会。