2023年1月13日，深圳奇遇科技***與清華大學深圳研究生院的研究人員發表了題為“增材製造”的論文。4dprinting of ceramicstructures提出並成功實現了複雜陶瓷結構的4D列印策略，通過精確調整陶瓷材料的固含量和列印路徑，實現了陶瓷結構的可控形狀變形。
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關於研究
4D列印通過3D列印實現可控的形狀變形，並為複雜的形狀設計提供了多種可能性。 然而，4D列印通常應用於容易變形的軟材料。 陶瓷本質上是堅硬和易碎的，這阻礙了它們在4D列印中的發展。 本研究利用印刷陶瓷在燒結過程中的應力失配，實現了陶瓷結構的4D列印。 一般來說，3D列印陶瓷燒結後的收縮率與所用陶瓷材料的固含量成反比。 奇遇團隊列印了底層固含量高、頂層固含量低的雙層氧化鋯（ZRO2）陶瓷，使燒結收縮率的內應力方向與低收縮材料的軸向方向一致，陶瓷的形狀由平面變為曲面結構。 在這個過程中，研究人員選擇了不同的印刷工藝來定製陶瓷結構的形狀變形行為。 最後，通過對陶瓷材料的固含量和列印路徑進行程式設計，實現了具有各種特性的4D列印陶瓷花。
圖1：使用直寫和燒結方法對陶瓷結構進行4D列印 （A，B） 將ZRo2奈米顆粒與不同比例的UV樹脂混合 （C） 含有均勻分散的ZRO2奈米顆粒的UV材料油墨 （D） 配備DIW技術的陶瓷晶元的3D列印和使用雙噴嘴進行UV固化處理 （E） 3D列印燒結成4D列印陶瓷結構的陶瓷晶元。
圖2：燒結過程中陶瓷雙層的自變形 （a）不同路徑的雙層陶瓷正方形的印刷 （b）燒結後雙層陶瓷正方形形狀的變化 （c）燒結前後陶瓷正方形的比較 （d）燒結後雙層陶瓷矩形的幾何形狀 （e）燒結後雙層陶瓷橢圓的幾何形狀。
圖3：通過程式設計列印路徑對陶瓷花進行4D列印：（a）雙層陶瓷頂層以不同的路徑列印，（b）燒結後各種雙層陶瓷多邊形的形狀變化，（c）燒結前後堆疊陶瓷的頂檢視，（d）燒結前後堆疊陶瓷的側檢視。
圖4：通過調整UV油墨固含量對陶瓷花的4D列印：（A）燒結後各種雙層陶瓷多邊形和層壓陶瓷結構的形狀變化（B）燒結後雙層陶瓷的微觀形貌，以及（c）4D列印陶瓷結構模仿的花幾何形狀。
研究結論
本文提出並研究了陶瓷結構的4D列印技術。 首先，估算了不同固含量油墨燒結陶瓷的收縮率; 然後，採用DIW技術製備了雙層ZRO陶瓷。 我們發現，在燒結過程中，頂層和底層之間的收縮不匹配導致了雙層陶瓷形狀的變化。 因此，陶瓷的4D列印是通過燒結衍生的雙層自變形來實現的。 陶瓷油墨的固相含量和印刷路徑都會影響陶瓷的自變形過程。 通過裁剪上述兩個引數，可以獲得模擬花朵幾何形狀的4D列印陶瓷結構。 這樣，4D列印為DIW燒結過程中複雜的陶瓷結構設計提供了可行的策略。 本文提出的4D列印陶瓷結構還展示了一種可程式設計的自變形策略，這是一種很有前途的自下而上先進陶瓷製造方法。