未(wei)來制造看這裏(li)：南方科技(ji)大學在陶瓷(ci)4D打(da)印研(yan)究(jiu)的最(zui)新(xin)進(jin)展(zhan)！

4D打(da)印是壹種(zhong)基(ji)於3D打(da)印發(fa)展(zhan)而來(lai)，將智能(neng)材(cai)料(liao)和(he)力(li)學設計(ji)融入(ru)打(da)印過(guo)程(cheng)的新(xin)型制造技(ji)術。在光、熱、電、磁(ci)等外(wai)界(jie)環境(jing)刺激(ji)下(xia)，4D打(da)印結(jie)構可隨時間產(chan)生(sheng)形(xing)狀(zhuang)或功能的改變(bian)，在生(sheng)物醫療、航(hang)空(kong)航天(tian)等領(ling)域有(you)著廣闊(kuo)的(de)應用(yong)前景。目前，能實現4D打(da)印的(de)材(cai)料(liao)主(zhu)要(yao)局限(xian)於水(shui)凝膠(jiao)、形狀(zhuang)記憶(yi)聚(ju)合物和液晶(jing)彈(dan)性體(ti)等智(zhi)能軟材(cai)料(liao)，而對(dui)於(yu)陶瓷(ci)類(lei)硬(ying)質材(cai)料(liao)的(de)4D打(da)印仍(reng)存在諸(zhu)多(duo)技(ji)術瓶(ping)頸。現(xian)有(you)的陶瓷(ci)4D打(da)印主(zhu)要(yao)基(ji)於墨(mo)水(shui)直(zhi)寫(xie)工藝(yi)，且需(xu)模(mo)具實現結構預編(bian)程(cheng)，效(xiao)率和精(jing)度有(you)待(dai)提(ti)高(gao)。因(yin)此(ci)，需(xu)要(yao)開發(fa)壹(yi)種(zhong)無(wu)需(xu)模(mo)具或外(wai)力輔(fu)助(zhu)變(bian)形(xing)的高效高精(jing)度陶瓷(ci)4D打(da)印技(ji)術。

葛(ge)锜(锜)教授團(tuan)隊與(yu)原(yuan)超副教授團(tuan)隊合(he)作(zuo)提(ti)出(chu)了(le)壹種(zhong)基(ji)於水(shui)凝膠(jiao)失水(shui)驅(qu)動(dong)的(de)陶瓷(ci)4D打(da)印方法(fa)。研(yan)究團(tuan)隊開發(fa)出(chu)適(shi)用於DLP打(da)印的(de)光(guang)敏陶瓷(ci)彈(dan)性體(ti)漿料(liao)和(he)丙烯酸(suan)水(shui)凝膠(jiao)前驅體(ti)。光(guang)固(gu)化後兩(liang)種(zhong)材(cai)料(liao)均(jun)可實現較(jiao)大變(bian)形(xing)，其中(zhong)陶瓷(ci)彈(dan)性體(ti)生(sheng)坯(pi)可承受高達(da)700%拉伸(shen)應變(bian)；水(shui)凝膠(jiao)在失水(shui)過(guo)程中(zhong)可實現高達65%體(ti)積(ji)收(shou)縮(suo)率，同(tong)時伴(ban)有(you)40倍以(yi)上(shang)模(mo)量增(zeng)加(jia)。該成(cheng)果發(fa)表(biao)在《Nature Communications》，題為(wei)“Direct 4D printing of ceramics driven by hydrogel dehydration"。

本(ben)成(cheng)果采(cai)用(yong)團(tuan)隊自主(zhu)開發(fa)多(duo)材(cai)料(liao)光(guang)固(gu)化4D打(da)印設備(bei)打(da)印水(shui)凝膠(jiao)-陶瓷(ci)彈(dan)性體(ti)層(ceng)合結(jie)構，通過(guo)水(shui)凝膠(jiao)失水(shui)驅(qu)動(dong)層(ceng)合(he)結構由平(ping)面(mian)圖(tu)案(an)直(zhi)接(jie)演(yan)化為(wei)復(fu)雜三維(wei)結構，再經(jing)過(guo)高(gao)溫脫脂燒(shao)結(jie)即得(de)到(dao)純陶瓷(ci)結(jie)構（圖1）。該(gai)方法(fa)在無(wu)需(xu)額(e)外(wai)形狀(zhuang)編程的條(tiao)件(jian)下(xia)實現了陶瓷(ci)結(jie)構的直(zhi)接(jie)4D打(da)印。

在燒結(jie)過(guo)程中(zhong)，彎(wan)曲(qu)的(de)層(ceng)合結構發(fa)生(sheng)了(le)曲(qu)率(lv)回撤現象。通(tong)過(guo)實驗(yan)研究(jiu)和有(you)限元(yuan)模(mo)擬，研究(jiu)團(tuan)隊將現象(xiang)歸因於(yu)燒結(jie)過(guo)程(cheng)中(zhong)層(ceng)合(he)結(jie)構厚度方向(xiang)的不(bu)均(jun)勻(yun)收(shou)縮(suo)。綜合(he)考慮水(shui)凝膠(jiao)失水(shui)過(guo)程中(zhong)層(ceng)合(he)結(jie)構變(bian)形(xing)以(yi)及燒(shao)結(jie)過(guo)程(cheng)中(zhong)陶瓷(ci)結(jie)構曲率(lv)回(hui)撤(che)現象，研究(jiu)團(tuan)隊建(jian)立(li)了基(ji)於相(xiang)轉變(bian)的(de)本構模(mo)型描(miao)述水(shui)凝膠(jiao)脫水(shui)的(de)剛度增(zeng)加(jia)和體(ti)積(ji)收(shou)縮(suo)，進(jin)而結(jie)合(he)層(ceng)合梁(liang)理(li)論(lun)預(yu)測陶瓷(ci)彈(dan)性體(ti)-水(shui)凝膠(jiao)層合(he)結構的脫(tuo)水(shui)彎(wan)曲(qu)過(guo)程(cheng)，最(zui)後將陶瓷(ci)燒(shao)結過程中(zhong)變(bian)形(xing)梯度引(yin)發(fa)的(de)非均(jun)勻(yun)收(shou)縮(suo)引(yin)入(ru)理(li)論(lun)模(mo)型，計算最(zui)終(zhong)的(de)結構彎(wan)曲(qu)變(bian)形(xing)，理(li)論(lun)預(yu)測與實驗(yan)結果取(qu)得(de)了(le)很好的(de)壹(yi)致(zhi)性（圖2）。利用(yong)理(li)論(lun)模(mo)型繪(hui)制的(de)設計(ji)機(ji)制圖(tu)可以(yi)定量呈(cheng)現結(jie)構變(bian)形(xing)與結構參數的(de)映(ying)射(she)關系，為(wei)水(shui)凝膠(jiao)-陶瓷(ci)層(ceng)合結構設計(ji)提(ti)供有(you)效指(zhi)導(dao)。

以(yi)正(zheng)四(si)面(mian)體(ti)為(wei)例(li)，具體(ti)展(zhan)示(shi)了陶瓷(ci)4D打(da)印的(de)設計(ji)流程(cheng)，實驗(yan)結果與(yu)最(zui)初(chu)設計(ji)目標壹致(zhi)。陶瓷(ci)4D打(da)印的(de)逆(ni)向(xiang)設計(ji)流程(cheng)（圖(tu)3）：

1）通過(guo)三維(wei)建(jian)模(mo)提(ti)取(qu)目標構型特征(zheng)參數；

2）設計(ji)平(ping)面(mian)圖(tu)案(an)確定待(dai)定設計(ji)參數；

3）理(li)論(lun)模(mo)型計算待(dai)定設計(ji)參數；

4）有(you)限元(yuan)模(mo)擬預測三維(wei)形狀(zhuang)；

5）多(duo)材(cai)料(liao)打(da)印實現層合結(jie)構到目標三維(wei)形狀(zhuang)的構型轉換。

通(tong)過對(dui)平(ping)面(mian)層(ceng)合(he)結構進(jin)行多(duo)樣(yang)化圖案(an)設計(ji)，可實現如立(li)方體(ti)盒(he)子、Miura折(zhe)紙(zhi)結(jie)構、鶴、三葉風扇(shan)和(he)蠍子(zi)等各(ge)種(zhong)三維(wei)陶瓷(ci)結(jie)構（圖4）。與(yu)模(mo)具輔助(zhu)變(bian)形(xing)和手(shou)動(dong)折(zhe)疊等方法(fa)相(xiang)比，基(ji)於水(shui)凝膠(jiao)失水(shui)驅(qu)動(dong)的(de)陶瓷(ci)直(zhi)接(jie)4D打(da)印技(ji)術能(neng)夠更(geng)簡(jian)單(dan)、更(geng)高(gao)效、更(geng)精(jing)準地(di)制造各三維(wei)陶瓷(ci)結(jie)構，為(wei)復(fu)雜陶瓷(ci)結(jie)構的設計(ji)和(he)制造開辟(pi)了新的途(tu)徑。