近日,南方科技大學(xué)(SUSTech)機(jī)械與能源工程系葛奇教授團(tuán)隊(duì)在可重構(gòu)4D打印技術(shù)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。他們開發(fā)出一種具有高機(jī)械性能的共價(jià)自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)形狀記憶聚合物(MRC-SMP),可用于數(shù)字光處理(DLP)高分辨率3D打印,成功實(shí)現(xiàn)了可重構(gòu)、大變形和高精度的4D打印。
這一研究成果以《通過(guò)機(jī)械穩(wěn)健協(xié)同自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)形狀記憶聚合物實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)4D打印》為題,發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》期刊上。
研究亮點(diǎn)
傳統(tǒng)形狀記憶聚合物(SMPs)常用于4D打印,具有較高模量,但因多為熱固性材料,其形狀記憶特性局限于單一永久形狀。近年的研究嘗試將共價(jià)自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)(CAN)引入SMPs,以實(shí)現(xiàn)多種永久形狀的可重構(gòu)性,但現(xiàn)有動(dòng)態(tài)共價(jià)SMP在形狀記憶性能、變形與重構(gòu)能力以及高精度可打印性上難以兼顧。
圖 1. MRC-SMP 的可重構(gòu)、大變形和高分辨率 4D 打印 為解決這些問(wèn)題,葛奇教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)的MRC-SMP材料具有以下特點(diǎn):
- 高機(jī)械性能:具備優(yōu)異的形狀記憶性能和大變形能力。
- 可重構(gòu)性:通過(guò)轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)永久形狀的重新配置。
- 高精度打?。褐С諨LP高分辨率打印技術(shù)。
創(chuàng)新成果
研究團(tuán)隊(duì)利用DLP打印技術(shù),開發(fā)出具有顯著大變形行為和形狀記憶特性的MRC-SMP晶格結(jié)構(gòu),通過(guò)轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)永久形狀的重構(gòu),同時(shí)保持優(yōu)異的形狀記憶性能。
此外,該材料具備高強(qiáng)度焊接能力,能夠通過(guò)焊接與形狀重構(gòu)制作復(fù)雜結(jié)構(gòu)。例如,通過(guò)焊接三個(gè)MRC-SMP晶格結(jié)構(gòu)和一個(gè)MRC-SMP連接器,形成了能夠抓取重物的機(jī)械抓手。抓手可通過(guò)形狀記憶過(guò)程從展開狀態(tài)恢復(fù)到抓取狀態(tài),完成重物的舉升任務(wù)。
圖 2. 多材料可重構(gòu)形狀記憶折紙 團(tuán)隊(duì)還結(jié)合MRC-SMP的可重構(gòu)特性與多材料打印技術(shù),快速制造出三維形狀記憶折紙結(jié)構(gòu)。以MRC-SMP作為變形鉸鏈,高強(qiáng)度光固化樹脂作為剛性表面,成功構(gòu)建出在室溫下具備高剛度并能承受重載的折紙結(jié)構(gòu)。
研究意義
這一成果展示了MRC-SMP在高精度制造與智能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用潛力。不僅提升了4D打印的可應(yīng)用性,還大幅縮短了復(fù)雜形狀記憶結(jié)構(gòu)的制造時(shí)間,推動(dòng)了形狀記憶材料在多領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。
MRC-SMP的高溫變形性能和高精度打印能力,為機(jī)械結(jié)構(gòu)、智能設(shè)備等領(lǐng)域的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了更多可能性,也為未來(lái)智能制造提供了更多靈感和技術(shù)支撐。
研究支持
該研究由國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省珠江人才計(jì)劃、廣東省自然科學(xué)基金及深圳市科技創(chuàng)新委員會(huì)資助完成。論文的第一作者為SUSTech機(jī)械與能源工程系助理研究員李洪庚,葛奇教授為通訊作者。
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