08-Nov-21
打印的聚合物在加热时以预定的方式改变一次形状?这是由于弗劳恩霍夫卓越可编程材料集群CPM开发的4D打印技术。打印出来的物体形状变化的幅度是巨大的:它们可以收缩63%。在未来，4D制造技术可以用来生产只有在具有预定形状后才会表现出特定行为的部件，例如医疗技术、机械工程、汽车和航空工业中组件组装的紧固件。
3D打印正在流行，作为一种增材制造技术，它提供了许多优势。例如，产品和原型可以单独设计，并很快可用。弗劳恩霍夫CPM公司的一组研究人员通过使用所谓的4D打印技术来生产打印物品，显著地扩大了这种优势。这项技术将时间维度(1D)添加到空间维度(3D)中。这样，物体就可以从形状记忆聚合物中打印出来，这种聚合物在受热后可以改变形状——而且以一种相当引人注目的方式:长度约4厘米的棒状样品收缩了63%。特定曲率也可能以一种有针对性的方式出现。弗劳恩霍夫应用聚合物研究所(Fraunhofer Institute for Applied Polymer Research IAP)的托尔斯滕·普雷茨(Thorsten Pretsch)博士说:“我们一开始使用的是相对简单的杆体几何形状，但最终我们能够生产更复杂的空心圆柱体和空心长方型样品。”普雷茨博士在弗劳恩霍夫CPM协调这个项目。“对于我们研究的所有几何形状，我们都预先指定了所需的材料性能。”
收缩行为和曲率可以精确调整
通常有两种方法来调整对温度升高的反应。首先是材料的选择——在这里，研究人员开发了一种具有形状记忆性能的新型热塑性聚氨酯(TPU)。该团队还表明，4D打印的发现也可以转移到另一种热塑性聚合物上:他们从生物基聚合物聚乳酸(PLA)中生产出可收缩的打印物体。第二种可能性在于印刷过程的巧妙管理。“关键是我们在打印过程中给材料很少的时间来冷却。因此，剧烈的内应力储存在材料中。随后的收缩效应非常明显，”Pretsch说。总之，材料的选择、加工温度和印刷速度不仅可以调节收缩行为，还可以调节弯曲状态。
从单体到机械回收的发展
该项目的第一步是开发材料并将研究结果从TPU转移到PLA。第二步是开发一个演示器——一个缩小到门把手上的开门器，这样它就可以用手肘操作而不需要手接触。拆卸简单:通过再加热;开门器与手柄分离，不留下任何残留物。当打印对象不再需要时，可以将其磨碎并重新加工成灯丝，至少可以再用于一次4D打印。概念是整体的和面向未来的。Pretsch总结说，从摇篮到摇篮的方法，我们已经经历了整个产品周期——从单体和聚合物合成的选择到演示器的4D打印及其机械回收。
弗劳恩霍夫的四个研究所贡献了他们的专业知识:弗劳恩霍夫的IAP合成了形状记忆聚合物，进一步发展了4D打印技术，并进行了机械回收。来自弗劳恩霍夫机床和成形技术研究所的Linda Weisheit开发了4D材料可编程刚度的概念。弗劳恩霍夫工业数学研究所(Fraunhofer Institute for Industrial Mathematics ITWM)进行了数学仿真来设计演示器。“例如，我们研究了开门器加载时力是如何分布的。我们还想找出哪种设计在材料消耗方面更好，”Heiko博士解释说:Andrä。实际试验在弗劳恩霍夫材料力学研究所进行。Tobias Amann博士解释说:“例如，问题是当开门器加载时，会产生哪些扭矩。”
来源:弗劳恩霍夫研究所
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