取材自sculpteo.com的文章4D printing a shape memory polymer,作者是Marianna Papageorgiou

 

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疊加製造是關於使用單一材料建造複雜形狀的技術,當設計師及科學家戮力於3D列印技術剛性材料(塑料、樹脂或金屬)最適化的時候,MIT及新加坡科技與設計大學的研究人員正朝和傳統3D列印材料無關的形狀記憶聚合物發展,它可以藉由程控而隨時間改變形狀,也就是說,伴隨著3D列印的穩定發展,4D列印新技術亦將崛起。讓我們檢視一下3D列印領域的此一新趨勢,及瞭解為什麼形狀記憶聚合物對疊加製造業而言是一項真實的革命。

 

什麼是形狀記憶聚合物?

 

形狀記憶聚合物(SMP)是可以隨環境刺激而展現顯著彈性變形的一種材料,易言之,它可以在外部能量施加時以多種方式改變形狀,然後再恢復至原來的形狀。為了引起這樣的改變,這類材料必須暴露在熱、光、電、水或特定pH的環境下。

 

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照片來源www.nature.com

 

形狀記憶聚合物的相關試驗是利用高解析度投影式微光固化成型法(PμSL)技術實施,形狀記憶聚合物包含作為直鏈建造者的單官能基單體樹脂,及作為交聯劑的多官能基寡聚物,用於加工這兩種樹脂並將其轉換為形狀記憶聚合物的3D印表機是商用Polyjet3D印表機。

 

形狀記憶聚合物如何連結3D列印與4D列印技術

 

你也許會想既然形狀記憶聚合物是3D列印材料,為何我們一直在談4D列印?這兩種技術的差別是什麼?又要如何連結呢?

 

如上所述,3D列印是關於建造固體及剛性零件,易言之,也就是不會因施加外部能量而改變形狀的物件。

 

4D列印技術則是有關預先程控的零件,它會在外部刺激下反應,所以基本上4D列印是關於隨時間改變的3D列印。

 

3D列印與4D列印技術的差別

 

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Jean-Claude André (Scientific Advisor at INSIS)提供的示意圖

 

你可以利用材料性質來區分這兩種技術,3D列印所用的材料可以是市面上現有的任何3D列印材料,而4D列印則是需要智慧材料才能讓列印過程順利運作。智慧材料據信是水凝膠及形狀記憶聚合物,水凝膠的運作原理是溶劑份子擴散進入聚合物網絡時它會膨脹,而形狀記憶聚合物則是本身可以轉換成不同的形狀,並且可以用控制及程式化的方式表現形狀記憶行為。

 

換句話說,形狀記憶聚合物就是一種使4D列印程序能夠成功運作的材料。

 

形狀記憶聚合物是如何製造出來的?

 

下圖顯示以投影式微光固化成型法(PμSL)製造多材料形狀記憶聚合物的方法,因為它是利用3D列印技術進行製造,所以需要3D檔案。拜3D製模軟體之賜,物件的3D模型可切成水平切片,經過切片的圖像被送至數位微顯示器(功能類似動態光罩),然後LED投射UV光並形成和切片圖像一致的圖案,再照射到光固化聚合物溶液的表面,當材料固化並形成對應的薄層時,下一個經過切片的圖像被投射至前一層上,這個過程經過一層層的重複直到形成整個結構。咸信4D列印技術是一種多材料技術,因為它允許樹脂在單體與寡聚物之間交換以建立最終的形狀記憶聚合物,下圖中的材料容器相當於不同種類的樹脂。

 

形狀記憶聚合物是利用商用Polyjet3D印表機進行列印,因為它可以藉由混合兩種基礎樹脂而建立剛性或彈性的材料。

 

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PμSL製造多材料結構的示意圖,照片來源www.nature.com

 

形狀記憶聚合物如何運作?

 

形狀記憶聚合物暴露在外部能量(例如熱、水等)後,在很短的時間內就可以恢復其最初的形狀。讓聚合物改變形狀的原因主要來自樹脂的熱機械性質,因為聚合物樹脂的製備及兩種樹脂在3D列印過程中化學反應的方式,聚合物因此得以改變形狀。

 

下圖顯示3D列印的形狀記憶聚合物如何一步步的改變形狀,這個簡單的結構是可以抓取及釋放物件的抓具;在圖的右側,可以看到抓具在其轉換過程中的不同狀態,也可以看到最初及最終位置分別對應剛印出的狀態及加熱後的狀態。

 

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下圖是形狀記憶聚合物在抓取螺絲過程中的快照

 

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3D列印產業使用形狀記憶聚合物的限制

 

雖然目前形狀記憶聚合物在3D列印產業的商業用途還極為有限,但是未來的應用卻極具潛力。最大的限制來自製造技術的商業化,迄今,形狀記憶聚合物尚處於試驗階段,也就是說,印出的物件長期如何表現尚不可知,例如它在進行多次轉換後會有什麼樣的效率水準及在什麼條件下才會展現全功能都還不知道。此外,如何大量製造我們所要的熱機械性質及形狀複雜度的材料也是很大的挑戰,這些工作都需要相當的時間。

 

形狀記憶聚合物有那些可能的應用?

 

形狀記憶聚合物對許多領域都有正面的影響,其中健康產業預期會受到最大的衝擊。疊加製造早已廣泛地使用於醫療領域,各種3D列印材料已用於多種不同的目的,由3D列印骨頭到嶄新材料的生物列印不一而足。考量醫療產業對新的3D列印材料及技術有持續增長的需求,咸信形狀記憶聚合物亦將對其產生很大的影響。

 

一項可能的應用是形狀記憶聚合物製成的裝置,它可能是放在人體內且會隨身體熱變化而工作的藥物裝置,例如當偵測到發燒或體溫變化的時候,就會釋出藥物或抗生素的裝置。

 

形狀記憶聚合物另一個重要的應用領域是能源產業,例如在太陽能板中作為感測器,以偵測陽光及繞著正確的方向旋轉,另外,結合材料科學與機器人學也可以創建智慧型形狀改變太陽能板,而可以自動調整傾斜角以獲取最大的能量效率。

 

有一件事是可以肯定的,不論是整合至電子產業、保健產業或能源產業,形狀記憶聚合物勢必在工程領域引起一陣騷動。現在以不同的及嶄新的3D列印材料進行試驗已成為主流,可以推論4D列印的崛起也將近在眼前。

 

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