陶瓷的熔點比較高，因此很難用現有的激光3D打印技術加工，而且一般也不會產生變形。這種性質也不利於生產複雜形狀的陶瓷產品。
打印陶瓷摺紙，仿悉尼歌劇院。圖片來源：香港城市大學
然而近日，香港城市大學成功克服了這些障礙，研發出陶瓷4D打印工藝，為世界首例。這次的研發成果具體包括：一種新型陶瓷材料和兩種陶瓷打印工藝。成品部件不僅堅固，而且形狀也比較複雜。
4D打印是在傳統3D打印的基礎上，通過與時間等元素相結合作為第四維度，使得打印物體可以隨著時間的推移，利用外力、溫度或者磁場等外部刺激，實現自動變形或自動組裝。
為了達到預期的效果，城大團隊開發了一種新型“陶瓷油墨”，即二甲基硅氧烷彈性聚合物和結晶ZrO2 NPs的陶瓷納米顆粒混合物。溫度升高時，用這種新材料加工的3D打印陶瓷可以拉伸至起始長度的三倍，柔韌性非常好，還可以摺疊，形狀也更加複雜。
在這項研究中，該團隊利用存儲在毛胚中的彈性能量實現形狀變形，能量釋放出來之後，毛胚會自動調整形狀；然後再經過熱處理，使之變成陶瓷。
這種具有一定彈性的陶瓷，機械性能穩定，比較堅固，而且壓縮強度密度比高，在1.6g cm -3微晶格上為547MPa，並且這種強度與其他3D打印陶瓷相比，可以加工相對較大的尺寸。
這種工藝看似簡單，但也足足花費了工作人員兩年的時間。“整個過程看起來很簡單，但事實並非如此，”這項研究的主要負責人表示。“從製作耗材到開發打印系統，我們嘗試了各種方法。這就好像在蛋糕上擠奶油一樣，材料的類型、噴嘴的大小，擠壓的速度、力度以及溫度，都會對結果有所影響。”
研究團隊開發了兩種陶瓷4D打印的方法。第一種成型方法中是用新材料打印3D毛胚和基材，然後使用雙軸拉伸裝置拉伸基材，並在其上打印用於連接毛胚的接頭；然後將毛胚置於拉伸的基材上；接著通過計算機編程控制拉伸基材的釋放，使材料變形為所需的形狀。
第二種方法是將設計的造型直接打印在拉伸的陶瓷毛胚上，然後在計算機控制下釋放彈性能量，使之發生變形。
據介紹，這項技術將在電子設備領域大放異彩。陶瓷在傳輸電磁信號方面比金屬的性能更優越，並且等到5G網絡投入使用時，它們將會在電子產品的製造中發揮更重要的作用，例如定製陶瓷手機殼。
此外，這項創新還可應用於航空工業和太空任務。“由於陶瓷是一種能夠承受高溫的堅固材料，因此4D打印陶瓷潛力巨大，可用作加工航空航天推進部件。”工作人員表示。
閱讀更多 三迪時空3D打印網 的文章
