陶瓷4D打印全面解决方案，奇遇科技联合清华大学、佛材院发表重磅《Additive Manufacturing》

4D打印实现了3D打印的可控形状变形，并使复杂形状设计的多种可能性成为可能。然而，4D打印通常是应用于容易变形的软材料。而陶瓷本质上是硬而脆的，这阻碍了其在4D打印中的发展。本研究利用打印陶瓷在烧结过程中的应力不匹配，实现了陶瓷结构的4D打印。一般来说，3D打印陶瓷体烧结后的收缩率与所用陶瓷材料的固体含量成反比。奇遇科技团队通过打印底层高固含量、顶层低固含量的双层氧化锆(ZrO2)陶瓷，令其烧结收缩率的内应力的方向与低收缩率材料的轴向方向一致，实现其形状由平面变为弯曲结构。在这一过程中，研究人员通过选择不同的打印工艺来定制陶瓷结构的形状变形行为。最后，通过对陶瓷材料的固含量和打印路径进行编程，实现了具有各种特性的4d打印陶瓷花朵。

研究内容解读

图1 采用直写-烧结法进行陶瓷结构的4D打印。(a)将ZrO2纳米颗粒与UV树脂按不同比例混合。(c)含有均匀分散的ZrO2纳米颗粒的UV材料墨水。(d)采用双喷嘴配备DIW技术并进行UV固化处理的陶瓷片3D打印。(e)将3D打印的陶瓷片烧结后转化为4D打印的陶瓷结构。

图2 陶瓷网格烧结后的流变性能和收缩率。(a)固含量为75 wt %的复合材料的弹性模量(G’)和粘弹性模量(G”)。(b)随着ZrO2纳米颗粒固相含量的增加，UV墨水中陶瓷网格的X方向收缩率降低。插图显示了烧结前后陶瓷晶格的几何形状。

图3 烧结过程中陶瓷双分子层的自变形。(a)以不同的路径打印双层陶瓷方块。(b)烧结后双层陶瓷方块的形状变化。(c)陶瓷方块烧结前后的对比。(d)烧结后双层陶瓷矩形的几何形状。(e)烧结后双层陶瓷椭圆的几何形状。比例尺为10mm。

图4 通过编程打印路径实现陶瓷花朵的4D打印。(a)双层陶瓷的顶层以不同的路径打印。(b)烧结后各种双层陶瓷多边形的形状变化。(c)烧结前后堆叠陶瓷的俯视图。(d)烧结前后堆叠陶瓷的侧视图。

图5 通过调节UV墨水固含量实现陶瓷花的4D打印。(a)烧结后各种双层陶瓷多边形和叠层陶瓷结构的形状变化。(b)烧结后双层陶瓷的微观形貌。(c) 4D打印的陶瓷结构所模仿的花朵几何图形。

图6 该示意图显示了烧结后的弯曲情况。(a)简化的二维双分子层陶瓷体系。(b) 代表本工作中DIW打印样品的简化2D系统。

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文章来源：公众号 “南极熊3D打印”

该研究所采用的3D打印陶瓷浆料及打印设备为奇遇科技自主研发，氧化锆陶瓷材料详细信息可点击"蓝色链接"查看。打印设备搭载独家CAD 4D切片引擎，轻松实现4D打印。奇遇科技研发团队可为陶瓷4D打印研究提供全套解决方案，助力高校科研，欢迎咨询。

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