南方科技大學(xué)葛锜/西安交通大學(xué)原超團(tuán)隊(duì)：陶瓷4D打印研究最新進(jìn)展

4D打印是一種基于3D打印發(fā)展的新型制造技術(shù)。相比3D打印，4D打印將智能材料和力學(xué)設(shè)計(jì)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(shí)間產(chǎn)生形狀或功能的改變，在生物醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。目前，實(shí)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(duì)于陶瓷類材料的4D打印仍存在諸多技術(shù)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(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)預(yù)編程，效率和精度有待提高。數(shù)字光處理（DLP）技術(shù)是一種通過紫外光面投影成型的高精度3D打印技術(shù)，但將該技術(shù)用于陶瓷4D打印仍面臨以下幾個(gè)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(dòng)材料；（iii）缺乏可以一體化成型陶瓷彈性體-驅(qū)動(dòng)材料的多材料3D打印技術(shù)和裝備。

2024年1月26日，南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系葛锜教授與西安交通大學(xué)原超副教授研究團(tuán)隊(duì)提出了一種簡單高效的陶瓷4D打印制造方法和設(shè)計(jì)策略。采用團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)的多材料光固化3D打印設(shè)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(dòng)層合結(jié)構(gòu)由平面圖案演化為復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)，在無需額外形狀編程的條件下實(shí)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(xué)機(jī)械與能源工程系研究助理教授王榮、西安交通大學(xué)副教授原超和南方科技大學(xué)博士研究生程健翔為論文共同第一作者。西安交通大學(xué)原超副教授和南方科技大學(xué)葛锜教授為論文共同通訊作者。南方科技大學(xué)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(shè)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(dòng)平面圖案演化為復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)，進(jìn)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(tuán)隊(duì)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(dá)700%的拉伸應(yīng)變，其力學(xué)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(dòng)材料，在失水過程中可實(shí)現(xiàn)高達(dá)65%的體積收縮率和40倍以上的模量提升，在變形失配誘導(dǎo)下帶動(dòng)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(huì)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(shí)驗(yàn)研究和有限元模擬，研究團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)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(jìn)而結(jié)合層合梁理論預(yù)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(jì)算最終的結(jié)構(gòu)彎曲變形，理論預(yù)測與實(shí)驗(yàn)結(jié)果取得了很好的一致性。利用理論模型繪制的設(shè)計(jì)機(jī)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(guān)系，為水凝膠-陶瓷層合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了有效指導(dǎo)。

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(yù)測。

圖4展示了陶瓷4D打印的逆向設(shè)計(jì)流程：1）通過三維建模提取目標(biāo)構(gòu)型特征參數(shù)；2）設(shè)計(jì)平面圖案確定待定設(shè)計(jì)參數(shù)；3）理論模型計(jì)算待定設(shè)計(jì)參數(shù)；4）有限元模擬預(yù)測三維形狀；5）多材料打印實(shí)現(xiàn)層合結(jié)構(gòu)到目標(biāo)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(shè)計(jì)流程，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)一致。

圖4. 陶瓷4D打印的逆向設(shè)計(jì)流程。

如圖5所示，通過對(duì)平面層合結(jié)構(gòu)進(jìn)行多樣化圖案設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)如立方體盒子、Miura折紙結(jié)構(gòu)、鶴、三葉風(fēng)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(dòng)折疊等方法相比，基于水凝膠失水驅(qū)動(dòng)的陶瓷直接4D打印技術(shù)能夠更簡單、更高效、更精準(zhǔn)地制造各三維陶瓷結(jié)構(gòu)，為復(fù)雜陶瓷結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造開辟了新的途徑。

圖5. 陶瓷4D打印的復(fù)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(shù)和離心式多材料切換技術(shù)，MultiMatter C1多材料3D打印裝備可實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜異質(zhì)結(jié)構(gòu)快速成型，在力學(xué)超材料、生物醫(yī)學(xué)、柔性電子、軟體機(jī)器人等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用潛力。

設(shè)備亮點(diǎn)

離心式多材料切換技術(shù):開發(fā)的離心式多材料切換技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高效材料切換和殘液去除。離心轉(zhuǎn)速可調(diào)，最高達(dá)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(dá)2000次。

可打印材料范圍廣:該設(shè)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(dǎo)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(yīng)用領(lǐng)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(shí)現(xiàn)：該設(shè)備可打印高復(fù)雜度、高精度、多功能、多材料耦合結(jié)構(gòu)，支持同時(shí)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(fù)雜多材料結(jié)構(gòu)制造提供高精度解決方案。