供稿人:张曼玉 田小永 发布日期：2018-07-23
4D打印是指智能材料的3D打印技术。智能材料结构在3D打印基础上，在外界环境激励下随着时间实现自身的结构变化。也就是说，4D打印制造的实体结构形状，可以随外界环境比如温度发生变化。
新加坡科技与设计大学提出了一种利用形状记忆聚合物的直接4D打印方法。通过3D打印实现可变形的复合材料零件的设计，在加热时该零件能够快速地改变成指定的形状。
图1 直接4D打印概念和实验证明A.4D打印材料变形过程B.4D打印复合材料设计形状变形过程C.4D打印实验示范D.形状记忆材料温度与曲率变化图
要实现直接4D打印，必须在打印过程中设计形状记忆聚合物的材料组分。从3D打印工作台上移除时，该零件能够保持一定的形状结构；通过改变外界环境因素来改变零件的形状，这种形状记忆聚合物复合材料零件加热时间的长短不同，零件的形状变化程度。并且，在加热变形后的形状，即第二稳定形状之后的温度变化，在冷却回室温和再次加热中基本形状保持稳定。通过利用玻璃化聚合物的形状记忆效应，再次热处理时，会出现多个形状，并且材料在加热时将总是恢复到永久（第二）稳定形状。显然，这种4D打印方法，其打印过程中零件的形状是暂时的，而打印后加热变形得到的零件形状是永久的。
图2多元素结构直接4D打印示例A.单元体从打印形状到加热变形形状设计BC.不同的单元体设计及加热变性过程D.拥有多个花瓣和层数的菊花在打印时形状及加热变形后的形状
图4展示了一种复杂的花在加热时开花的示例。花的形状是设计出来的，每一个花瓣都是双层高弹力形状记忆聚合物厚度相同的比率，在不改变每一层花瓣的复合结构的几何形状的情况下，通过打印时间来控制花瓣的曲率。每一层的打印花瓣的时间从底部到顶部控制在25s-74s，由于在加热时每一层的花瓣数量不同，加热变化的程度不同可产生一个真实的花(菊花)结构。