4D打印：热收缩打印对象

4D打印：热收缩打印对象

08-Nov-21

在加热时以预定方式改变形状的印刷聚合物？由于弗劳恩霍夫卓越可编程材料集群CPM中开发的4D打印技术，这一点现在成为可能。印刷品形状的变化幅度很大：它们可以收缩63%。在未来，4D制造技术可用于生产只有在其具有预定义形状后才表现出特定行为的零件，例如，在医疗技术、机械工程、汽车和航空工业的组件组装中作为紧固件。

3D打印非常流行，作为一种附加制造技术，它具有许多优势。例如，产品和原型可以单独设计，并且可以快速获得。弗劳恩霍夫CPM公司的一个研究小组正在通过使用所谓的4D打印技术来生产印刷品，从而大大扩大了这一优势。这项技术将时间维度（1D）添加到空间维度（3D）中。通过这种方式，物体可以从形状记忆聚合物中打印出来，当暴露在高温下时，这些聚合物可以在稍后的时间点改变它们的形状——并且以一种非常显著的方式：长度约为4厘米的杆状样品收缩高达63%。特定曲率也可以以有针对性的方式实现。弗劳恩霍夫应用聚合物研究所IAP的Thorsten Pretsch博士说：“我们最初是从一个相对简单的杆几何开始的，但最终我们能够生产出更复杂的空心圆柱体和空心长方体样品。”他在弗劳恩霍夫CPM协调该项目。“对于我们调查的所有几何图形，我们事先指定了所需的材料性能。”

收缩性能和曲率可以精确调整
通常有两种方法来调节对温度升高的响应。首先是材料的选择——研究人员在这里开发了一种新的热塑性聚氨酯，或称TPU，具有形状记忆性能。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冷却。因此，强烈的内应力储存在材料中。随后的收缩效应就会非常明显。总之，材料的选择、加工温度和印刷速度不仅可以用来调节收缩行为，还可以用来调节弯曲状态。

从单体到机械回收的发展
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，这样就可以用肘部操作而不用手接触。拆卸简单:通过再加热;开门器从手柄上脱落而不留下任何残留物。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4D打印。»这一概念是整体的和面向未来的。Pretsch总结道，就摇篮到摇篮的方法而言，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。

四个弗劳恩霍夫研究所贡献了他们的专业知识：弗劳恩霍夫IAP合成了形状记忆聚合物，进一步开发了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琳达·魏希特（Linda Weisheit）提出了4D材料可编程刚度的概念。弗劳恩霍夫工业数学研究所ITWM进行了数学模拟，以设计演示器。Heiko Andrä博士解释说：“例如，我们研究了开门器加载时力在开门器中的分布情况。我们还对找出哪种设计在材料消耗方面更好感兴趣。”。实际测试在弗劳恩霍夫材料力学研究所（IWM）进行。Tobias Amann博士解释说：“例如，这里的问题是，开门器加载时会产生哪些扭矩。”。

来源:弗劳恩霍夫研究所