4D打印是一種基于3D打印發(fā)展的新型制造技術。相比3D打印，4D打印將智能材料和力學設計融入制造過程。因此在外界環(huán)境刺激（如光、熱、電、磁等）下，4D打印結(jié)構(gòu)可隨時間產(chǎn)生形狀或功能的改變，在生物醫(yī)療、航空航天等領域有著廣闊的應用前景。目前，實現(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，而對于陶瓷類材料的4D打印仍存在諸多技術瓶頸。現(xiàn)有的陶瓷4D打印主要基于墨水直寫工藝，且需模具實現(xiàn)結(jié)構(gòu)預編程，效率和精度有待提高。數(shù)字光處理（DLP）技術是一種通過紫外光面投影成型的高精度3D打印技術，但將該技術用于陶瓷4D打印仍面臨以下幾個挑戰(zhàn)：（i）缺乏具有大變形能力的光固化陶瓷彈性體樹脂；（ii）缺乏與陶瓷彈性體樹脂匹配的光固化驅(qū)動材料；（iii）缺乏可以一體化成型陶瓷彈性體-驅(qū)動材料的多材料3D打印技術和裝備。

2024年1月26日，南方科技大學機械與能源工程系葛锜教授與西安交通大學原超副教授研究團隊提出了一種簡單高效的陶瓷4D打印制造方法和設計策略。采用團隊自主開發(fā)的多材料光固化3D打印設備制造水凝膠-陶瓷彈性體層合結(jié)構(gòu)，通過水凝膠失水驅(qū)動層合結(jié)構(gòu)由平面圖案演化為復雜三維結(jié)構(gòu)，在無需額外形狀編程的條件下實現(xiàn)陶瓷結(jié)構(gòu)的直接4D打印。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。南方科技大學機械與能源工程系研究助理教授王榮、西安交通大學副教授原超和南方科技大學博士研究生程健翔為論文共同第一作者。西安交通大學原超副教授和南方科技大學葛锜教授為論文共同通訊作者。南方科技大學為論文第一單位。

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)，通過水凝膠失水驅(qū)動平面圖案演化為復雜三維結(jié)構(gòu)，進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。

圖2展示了研究團隊為陶瓷4D打印開發(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。固化成型的陶瓷彈性體生坯具有大變形能力，可承受高達700%的拉伸應變，其力學性能可通過改變漿料中交聯(lián)劑含量來調(diào)控。水凝膠作為驅(qū)動材料，在失水過程中可實現(xiàn)高達65%的體積收縮率和40倍以上的模量提升，在變形失配誘導下帶動層合結(jié)構(gòu)產(chǎn)生整體彎曲變形，其更重要的是，光固化陶瓷彈性體-水凝膠層合結(jié)構(gòu)界面韌性好，保證其在變形過程中不會發(fā)生界面剝離。

圖2. 光固化陶瓷彈性體和水凝膠材料的性能表征。

如圖3所示，在燒結(jié)過程中，彎曲的層合結(jié)構(gòu)發(fā)生了曲率回撤現(xiàn)象。通過實驗研究和有限元模擬，研究團隊將現(xiàn)象歸因于燒結(jié)過程中層合結(jié)構(gòu)厚度方向的不均勻收縮。綜合考慮水凝膠失水過程中層合結(jié)構(gòu)變形以及燒結(jié)過程中陶瓷結(jié)構(gòu)曲率回撤現(xiàn)象，研究團隊建立了基于相轉(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，進而結(jié)合層合梁理論預測陶瓷彈性體-水凝膠層合結(jié)構(gòu)的脫水彎曲過程，最后將陶瓷燒結(jié)過程中變形梯度引發(fā)的非均勻收縮引入理論模型，計算最終的結(jié)構(gòu)彎曲變形，理論預測與實驗結(jié)果取得了很好的一致性。利用理論模型繪制的設計機制圖可以定量呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形與結(jié)構(gòu)參數(shù)的映射關系，為水凝膠-陶瓷層合結(jié)構(gòu)設計提供了有效指導。

圖3. 燒結(jié)過程中陶瓷結(jié)構(gòu)曲率回撤現(xiàn)象及其理論模型預測。

圖4展示了陶瓷4D打印的逆向設計流程：1）通過三維建模提取目標構(gòu)型特征參數(shù)；2）設計平面圖案確定待定設計參數(shù)；3）理論模型計算待定設計參數(shù)；4）有限元模擬預測三維形狀；5）多材料打印實現(xiàn)層合結(jié)構(gòu)到目標三維形狀的構(gòu)型轉(zhuǎn)換。以正四面體為例，具體展示了陶瓷4D打印的設計流程，實驗結(jié)果與最初的設計目標一致。

圖4. 陶瓷4D打印的逆向設計流程。

如圖5所示，通過對平面層合結(jié)構(gòu)進行多樣化圖案設計，可實現(xiàn)如立方體盒子、Miura折紙結(jié)構(gòu)、鶴、三葉風扇和蝎子等各種三維陶瓷結(jié)構(gòu)。與模具輔助變形和手動折疊等方法相比，基于水凝膠失水驅(qū)動的陶瓷直接4D打印技術能夠更簡單、更高效、更精準地制造各三維陶瓷結(jié)構(gòu)，為復雜陶瓷結(jié)構(gòu)的設計和制造開辟了新的途徑。

圖5. 陶瓷4D打印的復雜三維結(jié)構(gòu)。

MultiMatter C1

基于高精度數(shù)字光處理3D打印技術和離心式多材料切換技術，MultiMatter C1多材料3D打印裝備可實現(xiàn)任意復雜異質(zhì)結(jié)構(gòu)快速成型，在力學超材料、生物醫(yī)學、柔性電子、軟體機器人等領域具有重要應用潛力。

設備亮點

離心式多材料切換技術:開發(fā)的離心式多材料切換技術可實現(xiàn)高效材料切換和殘液去除。離心轉(zhuǎn)速可調(diào)，最高達8000轉(zhuǎn)/分鐘，60秒內(nèi)即可完成多材料切換，單次打印多材料切換最大次數(shù)高達2000次。

可打印材料范圍廣:該設備支持粘度在50-5000 cps范圍內(nèi)的硬性樹脂、彈性體、水凝膠、形狀記憶高分子和導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，為不同行業(yè)和應用領域，提供了材料選擇的靈活性。

多功能多材料耦合結(jié)構(gòu)實現(xiàn)：該設備可打印高復雜度、高精度、多功能、多材料耦合結(jié)構(gòu)，支持同時打印2種材料，可打印層內(nèi)多材料和層間多材料，且多材料層內(nèi)過渡區(qū)尺寸在200μm以內(nèi)，為復雜多材料結(jié)構(gòu)制造提供高精度解決方案。