哈尔滨工业大学冷劲松教授团队《Adv.Sci.》:直写4D打印技术研究进展

增材制造(3D打印)技术以数字模型设计为基础,通过软件与数控系统将材料按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积,实现复杂及可定制化结构的构建。由于3D打印结构是静止的,缺乏功能性及自适应能力,因此在智能结构及器件应用上存在诸多限制。

自2013年4D打印概念被首次提出后,4D打印技术受到了国内外学者的广泛关注。4D打印技术是在3D打印技术基础上引入了时间作为第四个维度,实现了3D打印结构在外界刺激(如热、电、磁、光,湿度等)下,其形状、性能和功能随着时间发生特定的转变。4D打印技术的成型方法包括立体光刻成型技术(SLA)、数字光处理技术(DLP)、熔融沉积技术(FDM)、聚合物喷射技术(Polyjet)及直写打印技术(DIW)等。

与其他几种打印技术方法相比,直写打印技术具有可打印材料种类广泛,打印装置开放等优势。基于直写打印技术的4D打印材料及结构,展示出了在智能驱动、电子、生物、机器人等领域的应用价值。

近日,哈尔滨工业大学冷劲松教授团队在材料领域权威期刊《Advanced Science》上发表了题为“Direct Ink Writing Based 4D Printing of Materials and Their Applications”的综述文章。

回顾了直写4D打印技术的发展历史,从材料的角度重点介绍了直写4D打印技术的研究进展。直写4D打印主要有两种技术路线:一是直接打印可变形材料,包括形状记忆聚合物、水凝胶及液晶弹性体等材料。二是在直写打印过程中预置应力分布、材料分布,实现打印结构在特定激励下释放应力,完成主动变形行为。文章概述了基于不同类型材料、不同打印策略、不同驱动方法的直写4D打印材料及可变形结构,并详细讨论了直写4D打印结构的多功能性,及其在电子、生物医学与软体机器人等领域上的潜在应用。

哈尔滨工业大学冷劲松教授团队《Adv.Sci.》:直写4D打印技术研究进展
图:直写4D打印技术用于不同种类材料的打印,实现直写4D打印结构在不同外界刺激下的形状与功能的转变,应用于电子、生物医学与软体机器人等领域

 

综述对直写4D打印技术进行展望,未来将在可变形材料的研发,4D打印结构多功能性的拓展,以及直写打印装置的改进等方面进行深入探索。此外,在多材料打印过程中通过在特定位置,设计不同的材料密度,预置不同的内应力,将简化多功能材料直写4D打印的制备过程,丰富4D打印结构的变形模式。建立精确预测打印结构变化的数学模型,将对直写4D打印结构实现更为复杂的形状变化提供理论指导。随着直写4D打印技术的不断进步,智能材料的结构/功能丰富,结合设计/模拟方法,将满足包括软体机器人、智能器件、生物医用、电子等诸多领域的应用需求。该综述近期发表在《Advanced Science》上,博士生万雪是文章的第一作者,冷劲松教授是通讯作者。相关工作得到国家自然科学基金的大力支持。

 

全文链接:

http://dx.doi.org/10.1002/advs.202001000

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