3D打印技術(shù)出現(xiàn)在20世紀90年代中期，實際上是利用光固化和紙層疊等技術(shù)的最新快速成型裝置。它與普通打印工作原理基本相同，打印機內(nèi)裝有液體或粉末等“打印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機上的藍圖變成實物。這打印技術(shù)稱為3D立體打印技術(shù)。

喬治亞理工學(xué)院的多材料3D打印機制作的一個晶格，其在加熱后可以永久地擴展到原來寬度的八倍。

來自喬治亞理工學(xué)院和其他兩個機構(gòu)的一組研究人員開發(fā)了一種新的3D打印方法，用于制造可以對熱做出反應(yīng)而永久地轉(zhuǎn)換成一系列不同形狀的物體。

這個包括來自新加坡科技設(shè)計大學(xué)(SUTD)和中國西安交通大學(xué)的研究人員的團隊，通過打印形狀記憶高分子層來制作物體，這些高分子層的每一層在被加熱的時候反應(yīng)都不一樣。

“通過將機械編程后處理步驟直接合并到3D打印過程中，這種新方法大大簡化過程和增加了4D打印的潛力，”Jerry Qi說，“這使得佐治亞理工學(xué)院的高分辨率三維打印部件可以通過計算機模擬，用3D打印來制作，然后通過簡單的加熱直接快速地使其變成新的永久的形狀。”

這項研究發(fā)表在了4月12日的《科學(xué)進步》雜志上，這是美國科學(xué)促進協(xié)會的一份出版物。這項工作由美國空軍科研辦公室，美國國家科學(xué)基金會資助，并獲得了新加坡國家研究基金會通過SUTD DManD中心進行的資助。

他們對這些新的3D打印物體的開發(fā)使用了該工作團隊以前完成的工作——使用智能形狀記憶聚合物(SMP)，這些聚合物可以記住一個形狀并在被均勻加熱時變化成另一個預(yù)先設(shè)計好的形狀，從而使得物體可以沿著鉸鏈將自己折疊起來。

“這種方法可以在打印時間和打印材料方面節(jié)省高達百分之九十，同時完全消除了設(shè)計和制造流程中耗時的機械編程，”Qi說。

為了說明該新工藝的能力，團隊制作了幾個在進入熱水時可以迅速彎曲或張開的物體——包括一朵花瓣可以像真正的雛菊一樣對陽光做出反應(yīng)而彎曲的花，還有一個能擴大到其原始尺寸近八倍的晶格狀物體。

“我們的復(fù)合材料含有一種在室溫下的軟質(zhì)材料，可以通過程序來使其具有內(nèi)部應(yīng)力，而其他的材料是硬的，”新加坡科技設(shè)計大學(xué)博士后研究員Zhen Ding說。“我們使用計算模擬來設(shè)計復(fù)合材料的零件，其中剛性材料的形狀和尺寸可以在3D打印后防止軟質(zhì)材料釋放程序植入的內(nèi)應(yīng)力。加熱后，硬材料軟化，使得軟材料能夠釋放其應(yīng)力，而這會導(dǎo)致在產(chǎn)品形狀發(fā)生改變——而這種變化通常是非常巨大的。

這種新的四維物體可以使一系列新的產(chǎn)品功能成為可能，比如可以在運輸過程中平放或卷起來，然后在使用時展開一次的的產(chǎn)品，研究人員說。最終，該技術(shù)可以使組件能夠以精確的定時方式來對溫度，濕度或光等刺激做出相應(yīng)，以制造空間結(jié)構(gòu)，可內(nèi)置的醫(yī)療設(shè)備，機器人，玩具和其他很多結(jié)構(gòu)。

“這項工作的主要進展是一個大大簡化了的四維印刷方法，其使得我們能夠制造高分辨率的三維復(fù)雜可編程產(chǎn)品”新加坡科技設(shè)計大學(xué)的Martin L. Dunn教授說，他同時也是新加坡科技設(shè)計大學(xué)數(shù)字制造和設(shè)計中心主任。“它有望使生物醫(yī)學(xué)設(shè)備，三維電子產(chǎn)品，消費產(chǎn)品等領(lǐng)域的無數(shù)應(yīng)用成為可能。它甚至為產(chǎn)品設(shè)計打開了一扇新的大門，在這里，組件一開始被設(shè)計好，以使其在使用過程中產(chǎn)生多種配置。