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4D打印正在悄悄走近我们身边
发布时间:2019-06-24 15:55:39 | 浏览次数:

本文来源于:(铁木说)

       3D打印技术的提出已经有数十载,众所周知,是一种以数字模型为基础,将金属颗粒或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式构造实体的技术。然而近几年,4D打印概念骤然提出,并成为了科技热点。4D打印技术是在3D打印的基础上多增加一个维度,一般为时间维度。2013年,麻省理工学院斯凯拉·蒂比茨在TED大会上首次提出4D打印的概念,并展示了4D打印多材质的绳子放到水中后变成“MIT”字样的结构[1]。


那么,4D打印是如何实现的呢,它又是披着什么样的神秘面纱呢?

通熟地讲,4D打印是将预先的产品设计镶嵌在3D打印过程中,而这种产品设计往往是以内应力/应变的方式存储在产品中,在外界特定因素刺激下,这种内应力/应变即可缓慢释放,从而使得打印的产品产生时间维度上的变化。所以,4D打印技术的本质即为3D打印技术和其他物理或化学过程(如热敏效应、化学效应和光敏效应等)的结合。

以一朵花朵的绽放过程为例,4D打印就可以通过多种途径实现这一个过程。利用不同材料热膨胀系数不匹配的原理,科学家们得到了随外界温度变化而发生自我弯曲的花状结构,如图2所示[2]。另一种方法是利过光敏形状记忆材料打印太阳花[3],如图3所示。其花瓣是由光敏形状记忆材料打印而成,其他组织由聚乳酸打印而成。当受到光照时,花瓣的光敏形状记忆材料会吸收光线并且升温,此时花瓣从刚性转变为柔性,从而使得花瓣展开;若太阳光消失时,花瓣因缺失太阳能而又恢复到初始状态。


4D打印能给我们带来什么?

目前,4D打印尚且停留在实验室研究阶段,还并没有走向生产应用。一些概念性设计已经提出并用在不同的领域。航空航天领域的空间可展开结构,如可展开式太阳能板,当有太阳照射时,太阳能板能自发展开并吸收太阳能,当太阳消失时,它又恢复到原先的收缩状态;还有在生物领域的人工心脏也可以通过4D打印技术实现自主跳动,帮助心衰病人获得新生。

一旦4D打印技术走进应用生产,对我们的生活将会产生质的变化。人们可以真正实现自定义设计、自主化生产。譬如,我们要造一间房子,只要通过4D打印机打印一堆材料放在某种特定因素下(如光,温度,磁场等),过一段时间一间房屋就能自主组装而成。当然,如果我们对这间房屋的结构感到厌烦时,还可以通过施加不同强度的外界因素,使房屋自我改装成其他结构。

4D打印正在悄悄走近我们身边,伴随着其技术的不断发展与成熟,将对我们的生活和周边领域产生巨大的影响,你准备好了吗?

本文涉及的参考文献

[1] G. Villar, A.D. Graham, H. Bayley, A tissue-like printed material, Science, 2013, 340: 48–52.

[2] Q. Zhang, K. Zhang, G. Hu, Smart three-dimensional lightweight structure triggered from a thin composite sheet via 3D printing technique, Scientific Reports, 2016, 6: 22431.

[3] H. Yang, W. R. Leow, T. Wang, et al. 3D printed photoresponsive devices based on shape memory composites. Advanced Materials, 2017, 29(33): 1701627.

 
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