【原创】灵性十足!从3D到4D陶瓷打印,越来越有意思了


来源:中国粉体网   山川

[导读]  与3D打印相比,4D陶瓷打印对材料有更高要求,陶瓷前驱体材料应用广泛,但较难发生自变形,以及陶瓷材料对外界刺激的响应较差,限制了其在4D打印技术中的发展。因此,选择合适的材料是4D打印的关键。

中国粉体网讯  在当下,3D陶瓷打印已经展现出了独特的魅力,当人们还在对2D到3D打印的技术革新感到应接不暇时,一种“灵气十足”的陶瓷打印技术又横空出世-4D陶瓷打印技术。



(图片来源于网络)


概念


4D陶瓷打印就是在3D的基础上增加了时间维度。4D陶瓷打印直接将设计程序内置到物料当中,让陶瓷材料在设定的时间自动变形为所需要的形状,且可随时间变化。


用吕坚教授的表述就是,“第4D就是前驱体,打印在一个预变形的基体上,根据预变形的不同,最后产生的三维形状是不同的。但因为预变形是通过计算和可编程的,所以全世界也都承认这个是4D打印。”



(图片来源于网络)


技术背景


“4D打印”概念源于2013年初麻省理工学院自组装实验室斯凯拉•蒂比茨的一次现场演示。在著名的技术、娱乐、设计(Technology Entertainment Design)大会上,一段绳状物体被放入水中,物体自动折成预先设计的形状,斯凯拉•蒂比茨称之为4D打印。


最初的4D打印技术是指在3D打印技术上增加了一个时间的维度,即智能材料经过3D打印成型后,构件在外界环境刺激下会发生自身结构的变化,多数追求的是外形的可变。



(图片来源于网络)


随着研究的深入,4D打印的内涵进一步得到了丰富,现在认为4D打印就是通过智能结构、智能材料或非智能材料的增材制造技术,实现构件的形状、性能或功能在时间和空间维度上的可控,满足变形、变性和变功能的应用需求。


在两年前,中国香港城市大学吕坚教授研究组便首次实现了4D陶瓷打印。


关键点


与3D打印相比,4D陶瓷打印对材料有更高要求,陶瓷前驱体材料应用广泛,但较难发生自变形,以及陶瓷材料对外界刺激的响应较差,限制了其在4D打印技术中的发展。因此,选择合适的材料是4D打印的关键。


1、可打印性


如果材料不能用现有的3D打印技术制造,那么4D打印结构将不存在。因此,可用于3D打印的材料是实现4D打印的前提。


2、智能性


如果材料结构中不含有“可编程物质”,不能实现任何目标在时间变化上对刺激的反应,依然是传统意义上的3D打印结构。


因此,4D打印陶瓷材料除了需要满足3D打印的可行性,还需要具备刺激响应材料的特征即智能性。


4D陶瓷打印的应用


吕坚教授说,这种4D陶瓷打印技术可广泛应用于个性化定制,优势在于采用相对简单的图纸设计,就可衍生出一系列形状相似且连续可变的结构,而传统的3D打印只能一个图纸对应一个结构。此外,4D陶瓷热处理只需1000℃即可完成,而传统陶瓷粉末烧结则需要1600℃,因此4D打印工艺成本相对低廉。


1、电子通讯设备


以电子设备行业为例,因为陶瓷材料在电磁信号传输上的优异性能,5G时代的到来将会对陶瓷产品的发展提出更高的要求。另外,相较于金属,陶瓷材料颜值高、质感佳、密度低,而且还有不易变形、耐磨防刮、耐化学腐蚀等优点。但是,陶瓷材料熔点极高,较难加工成型,因此目前陶瓷产品的应用在技术和成本上受到了极大限制。


4D陶瓷打印技术较易实现个性化定制,尤其是在制造类似曲面板这样的陶瓷结构上,可以实现超复杂精细结构,且成本低、强度高,有望应用在包括陶瓷手机背板和中框、陶瓷手表的表壳、表圈、表链等3C(Computer、Communication 、 Consumer Electronic)产业中。


2、耐热陶瓷构件


作为陶瓷前驱体的弹性体具有强变形能力,可以提高结构材料适应复杂应用环境的能力,譬如太空探索。3D打印的前驱体可以在地面上折叠起来以节省空间,然后到太空后展开为需要的结构。前驱体转化为陶瓷后,这些4D打印的陶瓷结构可以被用来做耐热结构。


4D打印的概念提出才不到10年,更别提4D陶瓷打印技术的应用了,技术仍处于探索阶段,但随着研究的不断深入,4D陶瓷打印技术也将不断革新,越来越多的新材料也会被赋予生命。


参考来源

[1]中国首次实现陶瓷4D打印.中国科学报

[2]余冬梅.增材制造:从3D到4D

[3]卢海洲.4D打印技术的研究进展

[4]宋波等.4D打印技术的现状与未来


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作者:山川

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