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  4D打印被用來制造具有動態(tài)變形或變形能力的智能結(jié)構(gòu)，在制造時間和材料消耗方面相比3D打印更具吸引力。然而現(xiàn)有的4D打印方法難以制備出兼具復(fù)雜變形能力和優(yōu)異力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重制約其在工程應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。

  近日，北京大學(xué)方岱寧院士課題組與佐治亞理工齊航教授課題組合作，提出了一種新的4D打印策略—氣動多材料4D打印，該策略基于異質(zhì)材料組成的空腔結(jié)構(gòu)在充氣載荷作用下發(fā)生不均勻鼓脹的原理，通過灰度光投影技術(shù)在空間內(nèi)精確編程異質(zhì)形狀記憶材料的分布來調(diào)控充氣后材料的局部拉伸和結(jié)構(gòu)的三維構(gòu)型。由于采用形狀記憶材料，新的構(gòu)型在升溫后還可以回復(fù)到初始構(gòu)型，且結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的力學(xué)承載性能。新的方法允許研究者們設(shè)計并制備出具有高度變形復(fù)雜性的結(jié)構(gòu)，包括人臉狀結(jié)構(gòu)。該研究成果以Shape-Memory Balloon Structures by Pneumatic Multi-material 4D Printing為論文題目發(fā)表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202010872)上。

圖1. 氣動多材料4D打印方法。(A) 灰度光投影打印異質(zhì)材料空腔結(jié)構(gòu)示意圖；(B) 初始打印構(gòu)型轉(zhuǎn)變成預(yù)定義三維構(gòu)型的熱-氣動訓(xùn)練過程示意圖。

  研究者們通過精心選取兩種不同投影光等級，打印得到組成氣球空腔結(jié)構(gòu)的兩種異質(zhì)形狀記憶材料。通過熱-力學(xué)測試發(fā)現(xiàn)，兩種材料的玻璃轉(zhuǎn)化溫度分別為60°C和83°C，且均具有優(yōu)良的形狀記憶效應(yīng)。通過在常溫(25°C)和高溫(80°C)下的單軸拉伸測試發(fā)現(xiàn)，兩種材料的模量比由室溫下的4.5提高到高溫下的61.3，力學(xué)性質(zhì)差異發(fā)生了顯著擴(kuò)大，這為在高溫下通過充氣調(diào)控氣球結(jié)構(gòu)的變形提供了先決條件。

圖2. 打印條件及材料力學(xué)性質(zhì)表征。(A) 打印光能量與光亮度等級的關(guān)系；(B-F) 兩種異質(zhì)材料的熱-力學(xué)性質(zhì)表征；(G-H) 具有不同異質(zhì)材料分布的空腔結(jié)構(gòu)充氣后形成不同構(gòu)型

  研究者們首先提出了一種以管狀氣球結(jié)構(gòu)作為基本可變形單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，有限元分析和實驗發(fā)現(xiàn)，通過將管狀變形單元中的材料分布設(shè)計成箍狀，可以對單元折疊后的角度和朝向形成精確調(diào)控。基于管狀可變形單元及其在空間內(nèi)的幾何延拓，研究者設(shè)計并制備了能夠發(fā)生大幅膨脹和卷繞變形的結(jié)構(gòu)，此外還設(shè)計了一種由初始二維構(gòu)型變成狗狀三維復(fù)雜構(gòu)型的結(jié)構(gòu)。

圖3. 基于管狀可變形單元的氣動多材料4D打印設(shè)計方法及制備的結(jié)構(gòu)。(A-C) 管狀可變形單元的設(shè)計方法；(D-F) 基于管狀可變形單元4D打印設(shè)計方法制備的結(jié)構(gòu)變形后形成閥狀，帳篷狀或狗狀。

  這種新型的4D打印方法除了能夠制造含有復(fù)雜三維構(gòu)型的結(jié)構(gòu)，還能夠制備初始具有平坦表面一旦充氣便能自動變成目標(biāo)三維復(fù)雜曲面的創(chuàng)新構(gòu)型。研究者們根據(jù)逆向設(shè)計方法，在一個平坦面內(nèi)交替排布兩種異質(zhì)材料，通過設(shè)計異質(zhì)材料復(fù)合的比例進(jìn)而調(diào)控充氣后面內(nèi)的局部拉伸應(yīng)變。基于此設(shè)計并制備了曲面輪廓類似于火山狀和甜甜圈狀的結(jié)構(gòu)。為了展示新方法具有制備復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)的能力，研究者通過設(shè)計實現(xiàn)了方形平面充氣后變成人臉型，再現(xiàn)了目標(biāo)曲面中眼部凹入和鼻梁凸出等多種曲面特征。

圖4. 基于平面薄層可變形單元的氣動多材料4D打印設(shè)計方法及制備的結(jié)構(gòu)。(A-B) 平面薄層可變形單元逆向設(shè)計方法示意圖；(C-E) 基于平面薄層可變形單元4D打印設(shè)計方法制備的平坦表面變形成甜甜圈狀、火山狀或人臉狀輪廓。

  論文第一作者為北京大學(xué)工學(xué)院博士生張強(qiáng)，通訊作者為方岱寧院士和佐治亞理工學(xué)院的齊航教授。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202010872