4D打印是一種基于3D打印發(fā)展的新型制造技術(shù)適應性強。相比3D打印技術交流，4D打印將智能材料和力學(xué)設(shè)計(jì)融入制造過(guò)程。因此在外界環(huán)境刺激（如光相對較高、熱資源配置、電、磁等）下相關，4D打印結(jié)構(gòu)可隨時(shí)間產(chǎn)生形狀或功能的改變大力發展，在生物醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景綠色化。目前不同需求，實(shí)現(xiàn)4D打印的材料主要局限于水凝膠、形狀記憶聚合物和液晶彈性體等智能軟材料保持穩定，而對(duì)于陶瓷類(lèi)材料的4D打印仍存在諸多技術(shù)瓶頸】傊?，F(xiàn)有的陶瓷4D打印主要基于墨水直寫(xiě)工藝，且需模具實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)預(yù)編程支撐作用，效率和精度有待提高研學體驗。數(shù)字光處理（DLP）技術(shù)是一種通過(guò)紫外光面投影成型的高精度3D打印技術(shù)，但將該技術(shù)用于陶瓷4D打印仍面臨以下幾個(gè)挑戰(zhàn)：（i）缺乏具有大變形能力的光固化陶瓷彈性體樹(shù)脂最為突出；（ii）缺乏與陶瓷彈性體樹(shù)脂匹配的光固化驅(qū)動(dòng)材料落實落細；（iii）缺乏可以一體化成型陶瓷彈性體-驅(qū)動(dòng)材料的多材料3D打印技術(shù)和裝備。

2024年1月26日高效化，南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系葛锜教授與西安交通大學(xué)原超副教授研究團(tuán)隊(duì)提出了一種簡(jiǎn)單高效的陶瓷4D打印制造方法和設(shè)計(jì)策略製高點項目。采用團(tuán)隊(duì)自主開(kāi)發(fā)的多材料光固化3D打印設(shè)備制造水凝膠-陶瓷彈性體層合結(jié)構(gòu)，通過(guò)水凝膠失水驅(qū)動(dòng)層合結(jié)構(gòu)由平面圖案演化為復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)範圍和領域，在無(wú)需額外形狀編程的條件下實(shí)現(xiàn)陶瓷結(jié)構(gòu)的直接4D打印有所增加。該研究成果以“Direct 4D printing of ceramics driven by hydrogel dehydration"為題，發(fā)表在《Nature Communications》期刊上更高要求。南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系研究助理教授王榮越來越重要的位置、西安交通大學(xué)副教授原超和南方科技大學(xué)博士研究生程健翔為論文共同第一作者。西安交通大學(xué)原超副教授和南方科技大學(xué)葛锜教授為論文共同通訊作者共同學習。南方科技大學(xué)為論文第一單位順滑地配合。

圖1展示了陶瓷4D打印的基本流程。采用南科大葛锜教授課題組自主研發(fā)的多材料光固化3D打印設(shè)備一體化成型界面牢固的水凝膠-陶瓷彈性體層合結(jié)構(gòu)效高，通過(guò)水凝膠失水驅(qū)動(dòng)平面圖案演化為復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)前沿技術，進(jìn)而利用高溫脫脂和燒結(jié)得到純陶瓷三維結(jié)構(gòu)。

圖1. 陶瓷4D打印的基本原理和流程性能。

圖2展示了研究團(tuán)隊(duì)為陶瓷4D打印開(kāi)發(fā)出的低粘度光敏陶瓷彈性體漿料和丙烯酸水凝膠前驅(qū)體影響力範圍。固化成型的陶瓷彈性體生坯具有大變形能力，可承受高達(dá)700%的拉伸應(yīng)變培訓，其力學(xué)性能可通過(guò)改變漿料中交聯(lián)劑含量來(lái)調(diào)控不合理波動。水凝膠作為驅(qū)動(dòng)材料宣講手段，在失水過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)高達(dá)65%的體積收縮率和40倍以上的模量提升，在變形失配誘導(dǎo)下帶動(dòng)層合結(jié)構(gòu)產(chǎn)生整體彎曲變形積極拓展新的領域，其更重要的是配套設備，光固化陶瓷彈性體-水凝膠層合結(jié)構(gòu)界面韌性好，保證其在變形過(guò)程中不會(huì)發(fā)生界面剝離相對開放。

圖2. 光固化陶瓷彈性體和水凝膠材料的性能表征推進高水平。

如圖3所示，在燒結(jié)過(guò)程中拓展應用，彎曲的層合結(jié)構(gòu)發(fā)生了曲率回撤現(xiàn)象生產創效。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究和有限元模擬，研究團(tuán)隊(duì)將現(xiàn)象歸因于燒結(jié)過(guò)程中層合結(jié)構(gòu)厚度方向的不均勻收縮管理。綜合考慮水凝膠失水過(guò)程中層合結(jié)構(gòu)變形以及燒結(jié)過(guò)程中陶瓷結(jié)構(gòu)曲率回撤現(xiàn)象優化上下，研究團(tuán)隊(duì)建立了基于相轉(zhuǎn)變的本構(gòu)模型描述水凝膠脫水的剛度增加和體積收縮，進(jìn)而結(jié)合層合梁理論預(yù)測(cè)陶瓷彈性體-水凝膠層合結(jié)構(gòu)的脫水彎曲過(guò)程模樣，最后將陶瓷燒結(jié)過(guò)程中變形梯度引發(fā)的非均勻收縮引入理論模型生產體系，計(jì)算最終的結(jié)構(gòu)彎曲變形，理論預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果取得了很好的一致性很重要。利用理論模型繪制的設(shè)計(jì)機(jī)制圖可以定量呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形與結(jié)構(gòu)參數(shù)的映射關(guān)系能力和水平，為水凝膠-陶瓷層合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了有效指導(dǎo)。

圖3. 燒結(jié)過(guò)程中陶瓷結(jié)構(gòu)曲率回撤現(xiàn)象及其理論模型預(yù)測(cè)異常狀況。

圖4展示了陶瓷4D打印的逆向設(shè)計(jì)流程：1）通過(guò)三維建模提取目標(biāo)構(gòu)型特征參數(shù)研究；2）設(shè)計(jì)平面圖案確定待定設(shè)計(jì)參數(shù)；3）理論模型計(jì)算待定設(shè)計(jì)參數(shù)應用創新；4）有限元模擬預(yù)測(cè)三維形狀深化涉外；5）多材料打印實(shí)現(xiàn)層合結(jié)構(gòu)到目標(biāo)三維形狀的構(gòu)型轉(zhuǎn)換。以正四面體為例生產製造，具體展示了陶瓷4D打印的設(shè)計(jì)流程，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)一致攜手共進。

圖4. 陶瓷4D打印的逆向設(shè)計(jì)流程共同。

如圖5所示，通過(guò)對(duì)平面層合結(jié)構(gòu)進(jìn)行多樣化圖案設(shè)計(jì)經過，可實(shí)現(xiàn)如立方體盒子簡單化、Miura折紙結(jié)構(gòu)、鶴管理、三葉風(fēng)扇和蝎子等各種三維陶瓷結(jié)構(gòu)設計。與模具輔助變形和手動(dòng)折疊等方法相比，基于水凝膠失水驅(qū)動(dòng)的陶瓷直接4D打印技術(shù)能夠更簡(jiǎn)單改進措施、更高效就此掀開、更精準(zhǔn)地制造各三維陶瓷結(jié)構(gòu)長足發展，為復(fù)雜陶瓷結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造開(kāi)辟了新的途徑。

圖5. 陶瓷4D打印的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)穩步前行。

MultiMatter C1

基于高精度數(shù)字光處理3D打印技術(shù)和離心式多材料切換技術(shù)結構不合理，MultiMatter C1多材料3D打印裝備可實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜異質(zhì)結(jié)構(gòu)快速成型，在力學(xué)超材料逐步改善、生物醫(yī)學(xué)意見征詢、柔性電子、軟體機(jī)器人等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用潛力大大提高。

設(shè)備亮點(diǎn)

離心式多材料切換技術(shù):開(kāi)發(fā)的離心式多材料切換技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高效材料切換和殘液去除的必然要求。離心轉(zhuǎn)速可調(diào)，最高達(dá)8000轉(zhuǎn)/分鐘取得了一定進展，60秒內(nèi)即可完成多材料切換完善好，單次打印多材料切換最大次數(shù)高達(dá)2000次。

可打印材料范圍廣:該設(shè)備支持粘度在50-5000 cps范圍內(nèi)的硬性樹(shù)脂可能性更大、彈性體部署安排、水凝膠、形狀記憶高分子和導(dǎo)電彈性體等材料及這些材料組合結(jié)構(gòu)的多材料3D打印技術，為不同行業(yè)和應(yīng)用領(lǐng)域推廣開來，提供了材料選擇的靈活性。

多功能多材料耦合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)：該設(shè)備可打印高復(fù)雜度相對較高、高精度資源配置、多功能、多材料耦合結(jié)構(gòu)相關，支持同時(shí)打印2種材料大力發展，可打印層內(nèi)多材料和層間多材料，且多材料層內(nèi)過(guò)渡區(qū)尺寸在200μm以內(nèi)生產效率，為復(fù)雜多材料結(jié)構(gòu)制造提供高精度解決方案產能提升。