4D打印：热收缩打印物体

加热时以预定方式改变形状的印刷聚合物？由于弗劳恩霍夫(Fraunhofer)卓越可编程材料 CPM 集群中开发的 4D 打印技术，这现在成为可能。打印对象的形状变化程度非常大：它们可以收缩高达 63%。未来，4D 制造技术可用于生产只有在采用预定义形状后才会表现出特定行为的零件，例如作为医疗技术、机械工程、汽车和航空工业中组件组装中的紧固件。

3D 打印很流行，作为一种增材制造技术，它具有许多优势。例如，产品和原型可以单独设计并快速可用。 Fraunhofer CPM 的一组研究人员通过使用所谓的 4D 打印生产打印对象，显着扩大了收益。

该技术将时间维度或 1D 维度添加到空间维度或 3D 维度。通过这种方式，可以用形状记忆聚合物打印物体，这些聚合物可以在稍后暴露于热量的时间点改变它们的形状——而且以一种非常了不起的方式：长度约为 4 厘米的棒状样品收缩多达63%。也可以有针对性地进行特定的曲率。

“我们最初从相对简单的杆几何形状开始，但最终我们能够生产更复杂的空心圆柱体和空心长方体形状的样品，”负责协调该项目的弗劳恩霍夫应用聚合物研究所 IAP 的 Thorsten Pretsch 博士说。 “对于我们研究的所有几何形状，我们提前指定了所需的材料行为。”

可以精确调整收缩行为和曲率

通常有两种方法可以调整对温度升高的响应。首先是材料的选择——研究人员在这里开发了一种具有形状记忆特性的新型热塑性聚氨酯或 TPU。该团队还表明，4D 打印的发现也可以转移到另一种热塑性聚合物上：他们从生物基聚合物聚乳酸或 PLA 中生产出可收缩的打印物体。第二种可能性在于印刷过程的巧妙管理。
“关键是我们让材料在打印过程中几乎没有时间冷却。结果，剧烈的内应力储存在材料中。随后的收缩效果非常明显，”Pretsch 说。总之，材料的选择、加工温度和印刷速度不仅可以调节收缩行为，还可以调节弯曲状态。

从单体到机械回收的发展

该项目的第一步是开发材料并将研究结果从 TPU 转移到 PLA。第二步是开发一个演示器——一个收缩在门把手上的开门器，这样它就可以用肘部操作而无需用手接触。拆卸很简单：通过重新加热；开门器与把手分离，不会留下任何残留物。

当不再需要打印对象时，可以将其研磨并重新加工成细丝，至少可以再使用一次进行 4D 打印。 “这个概念是整体的和面向未来的。就从摇篮到摇篮的方法而言，我们经历了整个产品周期——从单体的选择和聚合物合成到演示器的 4D 打印及其机械回收，”Pretsch 总结道。

四个Fraunhofer Institute的成员贡献了他们的专业知识：弗劳恩霍夫 IAP 合成了形状记忆聚合物，进一步开发了 4D 打印技术并进行了机械回收。来自 Fraunhofer Institute for Machine Tools and Forming Technology IWU 的 Linda Weisheit 开发了 4D 材料可编程刚度的概念。弗劳恩霍夫工业数学研究所 ITWM 进行了数学模拟来设计演示器。

“例如，我们调查了开门器加载时力是如何分布的。我们还想找出哪种设计在材料消耗方面更好，”Heiko Andrä 博士解释说。实际测试在弗劳恩霍夫材料力学研究所 IWM 进行。 “例如，这里的问题是开门器加载时会产生哪些扭矩，”Tobias Amann 博士解释说。