浙江大学Advanced Materials：超快速4D打印

引言

3D打印是一种增材制造方法，它相较于传统的减材制造，它在节省成本和个性化制造方面均显示出诸多优势。但现有三维打印技术无法回避的挑战在于逐层固化成型，打印一件物体一般要数十分钟至数小时，打印的速度和非常有限的材料选择成为了它推广和应用的短板。

与直接的3D打印不同，4D打印则是通过在二维平面中引入非均匀性质，从而产生内应力，外界的刺激（如加热）使得内应力的释放，来实现从二维到三维的直接成形（增加了随时间变化的第四维度）。

成果简介

浙江大学化工系谢涛课题组开发了一系列可由普通投影仪进行数字化光固化的单体体系，并借鉴了水凝胶由二维平面经不均匀溶胀变形为三维结构的技术，实现了聚合物的超快速三维成型，“打印”时间仅须二十余秒。

以水凝胶体系为例，将单体进行光聚合，曝光时间短的区域所得聚合物交联密度低，吸水后体积膨胀较大；曝光时间长的区域所得聚合物交联密度高，吸水后体积膨胀较小（图一所示）。二维平面材料区域化吸水倍率的差异将导致其膨胀为三维形状。通过平面不同区域曝光时间的控制，可以得到预先设定的不同三维形状，如图二所示的卡通人脸，悉尼歌剧院。与工程力学系宋吉舟课题组的合作，对模型进行力学有限元模拟为实验提供有力的指导（图二c所示）。

此外，该组还开发了可石蜡溶胀的油凝胶超快速三维成型体系，“打印”时间仅须四秒，显示了该技术的通用性。另一方面，可利用石蜡的结晶熔融转变固定临时形状，从而使所得三维物件具有形状记忆功能。通过适当的平面设计控制平面的曝光时间，从而使得不同区域有不同的石蜡溶胀率，溶胀的差异产生的内应力使得平面变形可以得到梯度的螺旋及花朵如图三所示。该技术有望大大提高失蜡铸造等模具加工方法的效率。

4D，即在3D结构的基础上引入可随时间变化的维度。如图二e在“帽子”和“马鞍形”间可逆变化，及图三中的螺旋和花朵可以分别打开并且固定在打开的形状，在加热的状态它们又会回复到原来的螺旋和花朵。

该工作目前已发表在Advanced Materials。

图文导读

图一、数字化光照的过程及原理。

（a）实验装置，一个DLP（digital light processing）技术的投影仪和一个反应槽。反应槽由两片玻璃片中间夹着一片硅橡胶组成，中间填充光敏性的反应前驱液体；

（b）通过光照进行区域化控制，深色区域曝光时间长，单体转化率高，交联密度大；反之浅色区域曝光时间短，单体转化率低，交联密度小；

（c、d）不同的曝光时间对应的单体转化率、模量曲线和质量损失、溶胀率曲线。可以看出，曝光时间短的样品溶胀率高，曝光时间长的样品溶胀率低。

图二、复杂三维结构的实现

所有的插图都代表着打印的平面图案，深蓝色区域代表曝光时间长的区域，浅蓝色区域代表着曝光时间短的区域。比例尺均为1cm。

（a）多级鼓起的结构；（b）卡通脸面具结构；（c）悉尼歌剧院的平面打印图案设计及有限元模拟；

（d）悉尼歌剧院结构；（e）4D变形，在不同的溶液中实现“帽子”和“马鞍形”间可逆变化。

图三、打印石蜡溶胀的形状记忆油凝胶

所有的插图都代表着打印的平面图案，深蓝色区域代表曝光时间长的区域（曝光时间4s），浅蓝色区域代表着曝光时间短的区域（曝光时间2s）。比例尺均为1cm。梯度螺旋结构和花朵结构的形状记忆行为。左边均为原始形状（不同区域在石蜡中的溶胀差异导致变形得到的三维的结构），中间为临时形状（通过加热到石蜡融化温度以上，手动变形，在冷却定性得到），右边为回复的形状（通过加热到石蜡融化温度以上，形状回复）。

文献链接

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

本文由文章第一作者黄丽媚博士投稿，材料人整理编辑。

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