超快速4D打印:几秒钟实现聚合物三维成型

3D打印是一种增材制造方法,它相较于传统的减材制造,它在节省成本和个性化制造方面均显示出诸多优势。但现有三维打印技术无法回避的挑战在于逐层固化成型,打印一件物体一般要数十分钟至数小时,打印的速度和非常有限的材料选择成为了它推广和应用的短板。为此,浙江大学化工系谢涛组开发了一系列可由普通投影仪进行数字化光固化的单体体系,并借鉴了水凝胶由二维平面经不均匀溶胀变形为三维结构的技术,实现了聚合物的超快速三维成型。既可以“打印”三维复杂形状的水凝胶,又可以“打印”三维的石蜡溶胀凝胶,而不同凝胶的刺激响应性质赋予凝胶随时间变化的第四维性质。此方法利用了光敏树脂能快速光固化的性质,而又无需逐层固化叠加成型,“打印”时间仅须二十余秒。

AM-xietao

利用普通投影仪的数字化光控技术,程序化定义平面材料的不同性质。在普通投影仪投射的可见光下,液态光敏性丙烯酸酯类单体发生自由基反应,而曝光时间的长短会使得区域单体的转化率不同,即区域的溶胀率不同,通过在二维平面中引入这种非均匀性质,产生内应力,在外界刺激(如溶胀)下内应力的释放,使得平面材料实现从二维到三维的直接成形。

此技术具有通用性,可选择原料范围广泛。如选择的光敏性聚合单体为亲水性,则变成三维结构水凝胶的快速制造;如选择亲油性光敏性聚合单体,则可变成三维结构石蜡模型的快速制造。复杂三维结构的设计,则借助于力学有限元模型的模拟,为实验提供有力的指导。

与3D打印不同,4D打印则是在以上三维成型的基础上,引入了时间响应的维度。离子浓度响应型的水凝胶,在盐水和去离子水中会有一个可逆的变形;石蜡溶胀型油凝胶,则由于石蜡的相转变过程,具有形状记忆性能。

该研究工作提供了一个超快速三维制造的方法,具有通用性。其中,石蜡溶胀的油凝胶有望在模具加工中起到重要作用,大大增加了制造三维模具的效率,三维模具的“打印”仅需4秒。相关结果发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201605390)上。