4D打印，一種新興技術，正吸引越來越多的關注。4D打印，即產品打印出來維持一種形狀，而受到熱、光、濕氣或者其他環境條件的激發，就會轉變成另一種形狀。4D打印超越了3D打印，拓展了形狀形成的工序，增加了設計的自由度，并由此誕生了一類新型產品，他們以設定的方式適應環境，調整自身。然而當前的4D打印通常涉及到一個復雜的、漫長的后續處理工序用以訓練部件。此外，當前的4D打印所用到的材料基本上是一些柔軟的聚合物，因而剛度方面的缺陷限制了其在結構部件領域的應用。

來自新加坡科技大學，佐治亞理工大學和西安交通大學的研究人員另辟新徑，創造性的將當前4D打印所需的后續機械訓練工序直接植入到3D打印過程本身，極大的簡化了4D打印技術。他們先是通過計算機模擬設計 3D部件，然后進行高精度的3D打印。該3D部件在室溫下會保持其設計的形狀。一旦經過簡單的加熱，該3D部件就可迅速的轉換一個永久性形狀。該4D打印技術不僅將復雜漫長的后續機械訓練工序從設計與制造工作流程中徹底剔除，更可節省高達90%的打印時間和耗材。

▲ 直接4D打印概念以及實驗示意圖

“我們的復合材料由性能不同的兩部分構成。室溫下，一部分較軟可以通過設計植入內應力，而另一部分較硬無應力”，新加坡科技大學的丁振博士表示，“我們通過計算模擬來設計該種復合材料，使得3D打印過程中植入軟材料的應力完全被硬材料控制，無法釋放，從而保證了所打印的3D形狀的高精準性。一旦加熱，硬材料就會軟化，軟材料里的內應力由于失去了約束而得以釋放，這直接導致了復合材料形狀的改變，而且通常是顯著的改變。”。新獲得的形狀不會隨著溫度的降低改變，但冷卻所導致的部分材料變硬使得整個部件呈現出良好的剛度。該研究展示了許多有趣的可改變形狀的部件，其中一個格柵結構加熱后可以膨脹近乎八倍。

“新的形狀是永久性的，也就是說，即使你給他再加熱或冷卻，它也不會回到最初的3D打印出來的形狀，這是形狀記憶效應所產生的效果，” 佐治亞理工大學的 H. Jerry Qi教授分析到，“復合材料中的硬材料具有形狀記憶效應，使得新轉變的形狀被永久性的鎖住了。另外，所打印的部件也呈現出形狀記憶效應，也就是說，它可以被訓練成任意形狀，一旦加熱，它就會尋找并回到新的永久性形狀，但不是最初打印的原始形狀。”

“這項研究的關鍵進展就是提供了一種新的顯著簡化了的4D打印方法，它可以制造高精度的可重新訓練的產品，有望在許多領域(覆蓋生物醫用器件，3D電子，以及消費者產品等領域)獲得應用”，新加坡科技大學的Martin L. Dunn教授表示，“它甚至開啟了一扇新的產品設計模式之門，使得產品從一開始就被設計成在使用中可具有多個形狀。”

該研究成果最近在科學進展(Science Advances)雜志上發表，并被科學(Science)收錄于網站主頁近一周。Scientific American(科學美國人), NewScientist(新科學家),LiveScience(生命科學), DiscoveryChannel(探索頻道) 等都進行了報道。

關鍵詞： 4D打印 3D打印