更實(shí)用的“四維”變形打印要來了！

來源：江蘇激光聯(lián)盟

隨著一種新的打印變形材料的出現(xiàn)，根據(jù)需求重新配置自己的軟機(jī)器人和生物醫(yī)學(xué)植入物漸趨現(xiàn)實(shí)。萊斯大學(xué)布朗工程學(xué)院的工程師Rafael Verduzco和研究生Morgan Barnes開發(fā)了一種在溫度、電流或壓力變化下打印變形材料的新方法。

圖1：萊斯大學(xué)用3D打印機(jī)生產(chǎn)的變形材料，通過溫度、電流或壓力的變化，實(shí)現(xiàn)了形態(tài)轉(zhuǎn)變。這個(gè)例子展示了如何實(shí)現(xiàn)印刷材料的變形。圖片來自Verduzco Laboratory/Rice University

研究人員在美國化學(xué)期刊 Applied Materials and Interfaces上將此技術(shù)稱之為“反應(yīng)式四維打印”。2018年，他們首次在模具中制造變形結(jié)構(gòu)。但是使用相同的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行三維打印只局限于同一平面的形狀上。這意味著難以形成凸起或?qū)崿F(xiàn)其他復(fù)雜的彎曲。Verduzco說，要克服這一限制從而提升材料有用性，將打印過程與形狀“脫鉤”是重要一環(huán)?！斑@些材料一旦制造出來，就會(huì)自動(dòng)改變形狀，”Verduzco說。“我們需要一種方法來控制這種形狀變化。我們的簡單想法是連續(xù)使用多個(gè)化學(xué)反應(yīng)打印材料，然后指示它將如何改變形狀。可在控制初始形狀和最終形狀方面提供更大的靈活性和更多的操作空間，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的打印。”

圖2：工程師Rafael Verduzco和研究生Morgan Barnes開發(fā)在溫度、電流或壓力變化下打印變形材料的新方法。

兩大挑戰(zhàn)：
實(shí)驗(yàn)室面臨的挑戰(zhàn)之一是如何制作一種液晶聚合物“墨水”，實(shí)現(xiàn)兩組相互排斥的分子鏈接，其中一組具有最初打印的形狀，另一組通過手動(dòng)印刷和干燥材料制成。實(shí)驗(yàn)人員需要制造出一種聚合物混合物，即可以在催化劑浴中打印出來，又能保持原始形狀。一旦得以實(shí)現(xiàn)，材料就可以在加熱或冷卻等情況下來回變形。

巴恩斯說:“我們必須優(yōu)化許多參數(shù)，如使用的溶劑和催化劑以及溶脹度和油墨配方，以使油墨迅速固化實(shí)現(xiàn)打印，同時(shí)不會(huì)對(duì)期望的最終形狀產(chǎn)生抑制。

圖3：萊斯大學(xué)實(shí)驗(yàn)室使用3D打印制作變形材料的過程，這些材料可能有助于制造軟機(jī)器人或作為生物醫(yī)學(xué)植入物。

實(shí)驗(yàn)室面臨的挑戰(zhàn)之二是打印支持的結(jié)構(gòu)有限，比如打印不出柱狀物。要突破此限制從而打印更復(fù)雜的形狀組合，需要一種在印刷過程中膠化能力足夠強(qiáng)的溶液。獲得這種能力將允許研究人員。

提及未來研究，巴恩斯說:“我們將進(jìn)一步優(yōu)化打印配方，并使用支架輔助打印技術(shù)來創(chuàng)建在兩種不同的復(fù)雜形狀之間過渡的傳動(dòng)裝置。一旦有所突破，就可以制造出像水母一樣的軟機(jī)器人，甚至可以制造出適合身體的可隨意改變形狀的醫(yī)療植入物?！?br />