增材制造(3D打印)技術(shù)以數(shù)字模型設(shè)計(jì)為基礎(chǔ),通過軟件與數(shù)控系統(tǒng)將材料按照擠壓、燒結(jié)、熔融、光固化、噴射等方式逐層堆積,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜及可定制化結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。由于3D打印結(jié)構(gòu)是靜止的,缺乏功能性及自適應(yīng)能力,因此在智能結(jié)構(gòu)及器件應(yīng)用上存在諸多限制。

自2013年4D打印概念被首次提出后,4D打印技術(shù)受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。4D打印技術(shù)是在3D打印技術(shù)基礎(chǔ)上引入了時(shí)間作為第四個(gè)維度,實(shí)現(xiàn)了3D打印結(jié)構(gòu)在外界刺激(如熱、電、磁、光,濕度等)下,其形狀、性能和功能隨著時(shí)間發(fā)生特定的轉(zhuǎn)變。4D打印技術(shù)的成型方法包括立體光刻成型技術(shù)(SLA)、數(shù)字光處理技術(shù)(DLP)、熔融沉積技術(shù)(FDM)、聚合物噴射技術(shù)(Polyjet)及直寫打印技術(shù)(DIW)等。

與其他幾種打印技術(shù)方法相比,直寫打印技術(shù)具有可打印材料種類廣泛,打印裝置開放等優(yōu)勢(shì)。基于直寫打印技術(shù)的4D打印材料及結(jié)構(gòu),展示出了在智能驅(qū)動(dòng)、電子、生物、機(jī)器人等領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。

近日,哈爾濱工業(yè)大學(xué)冷勁松教授團(tuán)隊(duì)在材料領(lǐng)域權(quán)威期刊《Advanced Science》上發(fā)表了題為“Direct Ink Writing Based 4D Printing of Materials and Their Applications”的綜述文章。

回顧了直寫4D打印技術(shù)的發(fā)展歷史,從材料的角度重點(diǎn)介紹了直寫4D打印技術(shù)的研究進(jìn)展。直寫4D打印主要有兩種技術(shù)路線:一是直接打印可變形材料,包括形狀記憶聚合物、水凝膠及液晶彈性體等材料。二是在直寫打印過程中預(yù)置應(yīng)力分布、材料分布,實(shí)現(xiàn)打印結(jié)構(gòu)在特定激勵(lì)下釋放應(yīng)力,完成主動(dòng)變形行為。文章概述了基于不同類型材料、不同打印策略、不同驅(qū)動(dòng)方法的直寫4D打印材料及可變形結(jié)構(gòu),并詳細(xì)討論了直寫4D打印結(jié)構(gòu)的多功能性,及其在電子、生物醫(yī)學(xué)與軟體機(jī)器人等領(lǐng)域上的潛在應(yīng)用。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)冷勁松教授團(tuán)隊(duì)《Adv.Sci.》:直寫4D打印技術(shù)研究進(jìn)展
圖:直寫4D打印技術(shù)用于不同種類材料的打印,實(shí)現(xiàn)直寫4D打印結(jié)構(gòu)在不同外界刺激下的形狀與功能的轉(zhuǎn)變,應(yīng)用于電子、生物醫(yī)學(xué)與軟體機(jī)器人等領(lǐng)域

 

綜述對(duì)直寫4D打印技術(shù)進(jìn)行展望,未來將在可變形材料的研發(fā),4D打印結(jié)構(gòu)多功能性的拓展,以及直寫打印裝置的改進(jìn)等方面進(jìn)行深入探索。此外,在多材料打印過程中通過在特定位置,設(shè)計(jì)不同的材料密度,預(yù)置不同的內(nèi)應(yīng)力,將簡(jiǎn)化多功能材料直寫4D打印的制備過程,豐富4D打印結(jié)構(gòu)的變形模式。建立精確預(yù)測(cè)打印結(jié)構(gòu)變化的數(shù)學(xué)模型,將對(duì)直寫4D打印結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的形狀變化提供理論指導(dǎo)。隨著直寫4D打印技術(shù)的不斷進(jìn)步,智能材料的結(jié)構(gòu)/功能豐富,結(jié)合設(shè)計(jì)/模擬方法,將滿足包括軟體機(jī)器人、智能器件、生物醫(yī)用、電子等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用需求。該綜述近期發(fā)表在《Advanced Science》上,博士生萬雪是文章的第一作者,冷勁松教授是通訊作者。相關(guān)工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金的大力支持。

 

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http://dx.doi.org/10.1002/advs.202001000

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