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新技术使3D打印对象在加热下改变形状

2017-05-25 09:09
龙凰
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随着3D打印技术的发展,研究工作会进入到一个新的阶段,这只是时间问题。“4D打印”是最近定义的一个属于,用于描述现有3D打印技术和火星材料科学的集成,以创建可以通过如温度和湿度等环境刺激改变其配置的打印组件。对于这些研究,这意味着需要更紧密地将机械编程后处理步骤纳入3D打印过程,以节省时间和材料。

来自佐治亚理工学院、新加坡理工大学和设计学院(SUTD)以及中国西安交通大学的研究人员团队最近开发出一种新的3D打印方法,创造出可以永久改变其形状的物体。使用Stratasys的多材料Objet 3D打印机,团队铺设了多层形状记忆聚合物,每层设计成在暴露于热量时有不同的反应。

智能形状记忆聚合物(SMP)是一种具有“记住”形状并在施加均匀热量时改变为另一程序形状的材料。为了研究的目的,该团队创建了一个具有花瓣的雏菊模型,其类似于暴露于阳光下的真实花朵,以及可以扩展其原始尺寸八倍的格子状物体。

乔治亚理工学院乔治·伍德鲁夫机械工程学院教授Jay Jerry Qi说:“新工艺将节省添加剂制造过程中的重要时间和材料,同时消除设计和制造工作中耗时的机械设计。高分辨率3D打印组件可以通过计算机模拟,3D打印设计,然后通过简单加热直接快速转换成新的永久配置。”

“典型的工艺要求:1)加热聚合物;2)将聚合物机械地变形成第二形状;3)降低温度;4)消除外部负荷,”他说。“聚合物保持在变形的形状(我们称之为‘编程形状’)。要恢复,只需要再次加热聚合物,聚合物将恢复其原始(永久)形状。在我们的新方法中,只需加热打印结构(不需要机械变形),就会变成新的形状。”

使用新工艺,新形状保持稳定,在进一步加热或冷却时不会改变。更有趣的是,根据团队声称,这种新材料可以具有形状记忆效应,但它将以新的形状作为其永久形状。

允许高分辨率的3D可重复编程结构的过程将能够实现跨领域的各种应用,包括航空航天、医疗技术和消费产品。甚至可能允许产品设计中的新范例,其中组件可以同时设计为在服务期间变成多种配置。

Qi博士说:“对于设计工程师而言,该方法将是设计薄而灵活结构的理想方式。”

“在这里,形状的变化是由于不同的材料的放置,这不是传统设计方法中考虑的一部分,”他说。“此外,由于新形状(加热后的形状)是永久形状,因此设计需要考虑3D和4D打印形状,这也是新的。我们的新方法可以大大节省打印时间和材料。”

据研究团队表示,精确的数字取决于结构,但平均来说,该过程可以节省60%至70%的打印时间和打印材料。它还可以为包装和运输过程提供令人信服的好处:薄而扁平的物品可以平放交付,然后在被加热以变成更复杂形状的较大结构。医疗应用也是令人信服的:例如生物医学支架。

Qi博士说:“我们可以使用我们扩展的晶格设计将结构打印成管。将管放入血管后,我们可以使用体温或一些外部加热来部署。管将显著膨胀并保持扩张的形状。

未来,研究团队希望对不同材料如何提供不同(更好或更坏)的反应有更深入的了解。他们还计划尝试不同的设计,并寻找工业合作者进一步研究该过程。

据悉,该研究结果发表在“美国科学促进会出版物”杂志上。研究资金来自于美国空军科学研究办公室、美国国家科学基金会和新加坡国家研究基金会。

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