供稿人:钟琪 田小永 供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2020-09-07
3D打印虽然能够创造复杂的形状，但在制造速度和材料多样性上并不具有优势。利用从2D到3D变形的4D打印的优点是，它放弃了3D打印的逐层制造过程，从而实现了更快的生产方法。但是，目前通过4D打印可制作的零件形状有限。此外，很难将截然不同的多种材料结合在一起。浙江大学的研究人员对4D打印的模块化方法进行了研究，并获得了一定的突破。
该项研究的作者开发了一种模块化4D打印系统。这些4D打印模块的材料属性有明显的不同，但却可以组装在一起。研究人员写道，他们的模块化4D打印系统克服了上述技术的限制：“这种方法允许制造几何复杂和功能多样的变形设备，同时保持了制造速度优势。”举一个例子，作者写道:“PPIA20-IBOA80 (Tg=70℃)和PPIA50-PEA50 (Tm=50℃)的两个4D打印样品在粘接过程中通过局部施加一个小的力在非铰接区域组装在一起。通过形状记忆机制，样品在100°C时变形为平板，冷却至0°C后固定。在重新加热时，由于空间上不同的热转变，多材料组件自发进行折叠，从而变形为一个球体。”
图1 多材料模块式组装
模块化4D打印系统使用了双面数字光，投射到由光固化单体组成的打印前体上。这些单体包括动态共价键、光引发剂、光吸收剂和溶剂(甲苯)。当溶液暴露在光下时，溶液被固化，光衰减增强，从而在平面外尺寸上建立固化梯度。当未固化的单体和溶剂从固化膜中去除时，由于材料在平面外尺寸上的不均一性，使二维膜变形为三维膜。研究人员解释说:“在这个过程中，打印前体的独立变化可以产生具有可定制材料属性的3D零件，我们称之为3D材料模块。”每个模块都有各自的形状，可以通过模块间界面处共价键动态交换，实现操纵和连接。
图2 模块化4D打印工艺中，模块之间共价键动态交换
在论文的结语部分，研究人员解释了这种模块化结构不仅具有4D打印的优点，还可以通过材料模块之间的界面键交换来操纵打印出的形状，整合多种不同的材料。他们写道，“这些特性允许材料和结构的多用途集成，从而为构建具有几何形状指示功能的多响应设备提供了可能。总的来说，模块化4D打印的概念扩展了结构复杂和功能多样的变形装置的技术范围。”