浙江大學Advanced Materials：超快速4D打印

引言

3D打印是一種增材制造方法，它相較于傳統的減材制造，它在節省成本和個性化制造方面均顯示出諸多優勢。但現有三維打印技術無法回避的挑戰在于逐層固化成型，打印一件物體一般要數十分鐘至數小時，打印的速度和非常有限的材料選擇成為了它推廣和應用的短板。

與直接的3D打印不同，4D打印則是通過在二維平面中引入非均勻性質，從而產生內應力，外界的刺激（如加熱）使得內應力的釋放，來實現從二維到三維的直接成形（增加了隨時間變化的第四維度）。

成果簡介

浙江大學化工系謝濤課題組開發了一系列可由普通投影儀進行數字化光固化的單體體系，并借鑒了水凝膠由二維平面經不均勻溶脹變形為三維結構的技術，實現了聚合物的超快速三維成型，“打印”時間僅須二十余秒。

以水凝膠體系為例，將單體進行光聚合，曝光時間短的區域所得聚合物交聯密度低，吸水后體積膨脹較大；曝光時間長的區域所得聚合物交聯密度高，吸水后體積膨脹較小（圖一所示）。二維平面材料區域化吸水倍率的差異將導致其膨脹為三維形狀。通過平面不同區域曝光時間的控制，可以得到預先設定的不同三維形狀，如圖二所示的卡通人臉，悉尼歌劇院。與工程力學系宋吉舟課題組的合作，對模型進行力學有限元模擬為實驗提供有力的指導（圖二c所示）。

此外，該組還開發了可石蠟溶脹的油凝膠超快速三維成型體系，“打印”時間僅須四秒，顯示了該技術的通用性。另一方面，可利用石蠟的結晶熔融轉變固定臨時形狀，從而使所得三維物件具有形狀記憶功能。通過適當的平面設計控制平面的曝光時間，從而使得不同區域有不同的石蠟溶脹率，溶脹的差異產生的內應力使得平面變形可以得到梯度的螺旋及花朵如圖三所示。該技術有望大大提高失蠟鑄造等模具加工方法的效率。

4D，即在3D結構的基礎上引入可隨時間變化的維度。如圖二e在“帽子”和“馬鞍形”間可逆變化，及圖三中的螺旋和花朵可以分別打開并且固定在打開的形狀，在加熱的狀態它們又會回復到原來的螺旋和花朵。

該工作目前已發表在Advanced Materials。

圖文導讀

圖一、數字化光照的過程及原理。

?

（a）實驗裝置，一個DLP（digital light processing）技術的投影儀和一個反應槽。反應槽由兩片玻璃片中間夾著一片硅橡膠組成，中間填充光敏性的反應前驅液體；

（b）通過光照進行區域化控制，深色區域曝光時間長，單體轉化率高，交聯密度大；反之淺色區域曝光時間短，單體轉化率低，交聯密度小；

（c、d）不同的曝光時間對應的單體轉化率、模量曲線和質量損失、溶脹率曲線。可以看出，曝光時間短的樣品溶脹率高，曝光時間長的樣品溶脹率低。

圖二、復雜三維結構的實現

?

所有的插圖都代表著打印的平面圖案，深藍色區域代表曝光時間長的區域，淺藍色區域代表著曝光時間短的區域。比例尺均為1cm。

（a）多級鼓起的結構；（b）卡通臉面具結構；（c）悉尼歌劇院的平面打印圖案設計及有限元模擬；

（d）悉尼歌劇院結構；（e）4D變形，在不同的溶液中實現“帽子”和“馬鞍形”間可逆變化。

圖三、打印石蠟溶脹的形狀記憶油凝膠

所有的插圖都代表著打印的平面圖案，深藍色區域代表曝光時間長的區域（曝光時間4s），淺藍色區域代表著曝光時間短的區域（曝光時間2s）。比例尺均為1cm。梯度螺旋結構和花朵結構的形狀記憶行為。左邊均為原始形狀（不同區域在石蠟中的溶脹差異導致變形得到的三維的結構），中間為臨時形狀（通過加熱到石蠟融化溫度以上，手動變形，在冷卻定性得到），右邊為回復的形狀（通過加熱到石蠟融化溫度以上，形狀回復）。

文獻鏈接

Ultrafast Digital Printing toward 4D ShapeChanging Materials（Advanced Materials 2016, DOI: 10.1002/adma.201605390）

本文由文章第一作者黃麗媚博士投稿，材料人整理編輯。

材料人網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部。

材料人網向各大團隊誠心約稿，課題組最新成果、方向總結、團隊訪談、實驗技能等皆可投稿，請聯系：郵箱tougao@cailiaoren.com 或 QQ：97482208。