3D打印還沒玩過癮，4D打印又來了？

科羅拉多大學博爾德分校（University of Colorado Boulder）的科研人員成功地在他們的3D（三維）打印技術上增加了第四個維度，開辟了激動人心的前景：人們可以在生產、包裝和生物醫藥等領域，制造和利用具有適應性的復合材料。

由科羅拉多大學博爾德分校的機械工程副教授H?杰瑞?齊（H. Jerry Qi），及其合作者新加坡科技設計大學（Singapore University of Technology and Design）的馬丁?鄧恩（Martin L. Dunn）領導的研究小組已經開發并測試了一種4D打印方法。研究人員利用傳統3D打印技術將具有“形狀記憶”特性的聚合纖維納入到復合材料中，使得這種有固定外形的產品可以在加工完成之后，再被變成另一種外形。

“在這項工作中，我們利用3D打印技術先打印出初始形狀，然后通過事先設定好形狀記憶纖維的變化，使產品外形隨著時間而產生改變——這就是4D打印。”鄧恩說道，他曾是科羅拉多大學博爾德分校機械工程的教職人員，研究復合材料的力學和物理原理已經超過二十年了。

4D打印的概念，即允許材料進行“自我組裝”而形成3D結構，是由麻省理工的斯凱拉?蒂比茨（Skylar Tibbits）在今年4月首先提出的。蒂比茨和他的小組把一股塑料和一層 “智能”材料結合在一起，做出了可以在水中自我組裝的產品。

“我們拓展了這個概念，制造出了多種復合材料。它們能夠通過另一種物理機制變形成幾種不同的復雜形狀。”鄧恩說，“利用形狀記憶聚合纖維來使復合材料產生所期望的形狀改變的秘密，在于纖維的結構如何設計，包括它們的位置、方向以及其他一些因素。”

科羅拉多大學博爾德分校研究小組的研究結果上個月發表在《應用物理快報》上，琦?凱文?葛（Qi “Kevin” Ge）是論文的共同作者，他9月份作為博士后研究助理加入了麻省理工學院（MIT）。

令人著迷的是這些形狀是在設計階段定義的，這在幾年前是無法達成的。”齊教授說。

科羅拉多大學博爾德分校的研究小組證明，記憶纖維在復合材料中的方向和位置決定了形狀記憶效應（比如折疊、卷曲、伸展或扭轉）的強度大小。研究人員還通過加熱或冷卻復合材料的方式展示了對這些效應的控制力。

齊教授說，雖然3D打印技術已經有大約30年的歷史，但只是在最近才發展到這一階段：人們可以通過把活性纖維納入到復合材料中，預先設定材料在面對熱處理和機械力時的反應。

令人興奮的是，這一技術具有廣泛的應用前景。齊教授說一塊太陽能板或類似產品可以在生產出來時呈扁平外形，便于安裝一些功能性裝置。然后它可以變成很緊湊的外形以利于包裝和運輸，在到達目的地后它又可以被激活，變成另一種可以使其性能最優化的外形。

隨著打印材料的豐富，以及更大尺度打印分辨率的提升，3D打印技術愈發成熟，而4D打印技術的出現，將使人們能夠以新的途徑來制造可逆的或可變的三維表面和固體物件，比如汽車、飛機和天線用到的具有復雜外形的復合材料殼層等等。

（作者：無窮的探索)

發表于 2013-11-09 00:00
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