2023年1月13日，深圳奇遇科技***与清华大学深圳研究生院的研究人员发表了题为“增材制造”的论文。4dprinting of ceramicstructures提出并成功实现了复杂陶瓷结构的4D打印策略，通过精确调整陶瓷材料的固含量和打印路径，实现了陶瓷结构的可控形状变形。
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关于研究
4D打印通过3D打印实现可控的形状变形，并为复杂的形状设计提供了多种可能性。 然而，4D打印通常应用于容易变形的软材料。 陶瓷本质上是坚硬和易碎的，这阻碍了它们在4D打印中的发展。 本研究利用印刷陶瓷在烧结过程中的应力失配，实现了陶瓷结构的4D打印。 一般来说，3D打印陶瓷烧结后的收缩率与所用陶瓷材料的固含量成反比。 奇遇团队打印了底层固含量高、顶层固含量低的双层氧化锆（ZRO2）陶瓷，使烧结收缩率的内应力方向与低收缩材料的轴向方向一致，陶瓷的形状由平面变为曲面结构。 在这个过程中，研究人员选择了不同的印刷工艺来定制陶瓷结构的形状变形行为。 最后，通过对陶瓷材料的固含量和打印路径进行编程，实现了具有各种特性的4D打印陶瓷花。
图1：使用直写和烧结方法对陶瓷结构进行4D打印 （A，B） 将ZRo2纳米颗粒与不同比例的UV树脂混合 （C） 含有均匀分散的ZRO2纳米颗粒的UV材料油墨 （D） 配备DIW技术的陶瓷芯片的3D打印和使用双喷嘴进行UV固化处理 （E） 3D打印烧结成4D打印陶瓷结构的陶瓷芯片。
图2：烧结过程中陶瓷双层的自变形 （a）不同路径的双层陶瓷正方形的印刷 （b）烧结后双层陶瓷正方形形状的变化 （c）烧结前后陶瓷正方形的比较 （d）烧结后双层陶瓷矩形的几何形状 （e）烧结后双层陶瓷椭圆的几何形状。
图3：通过编程打印路径对陶瓷花进行4D打印：（a）双层陶瓷顶层以不同的路径打印，（b）烧结后各种双层陶瓷多边形的形状变化，（c）烧结前后堆叠陶瓷的顶视图，（d）烧结前后堆叠陶瓷的侧视图。
图4：通过调整UV油墨固含量对陶瓷花的4D打印：（A）烧结后各种双层陶瓷多边形和层压陶瓷结构的形状变化（B）烧结后双层陶瓷的微观形貌，以及（c）4D打印陶瓷结构模仿的花几何形状。
研究结论
本文提出并研究了陶瓷结构的4D打印技术。 首先，估算了不同固含量油墨烧结陶瓷的收缩率; 然后，采用DIW技术制备了双层ZRO陶瓷。 我们发现，在烧结过程中，顶层和底层之间的收缩不匹配导致了双层陶瓷形状的变化。 因此，陶瓷的4D打印是通过烧结衍生的双层自变形来实现的。 陶瓷油墨的固相含量和印刷路径都会影响陶瓷的自变形过程。 通过裁剪上述两个参数，可以获得模拟花朵几何形状的4D打印陶瓷结构。 这样，4D打印为DIW烧结过程中复杂的陶瓷结构设计提供了可行的策略。 本文提出的4D打印陶瓷结构还展示了一种可编程的自变形策略，这是一种很有前途的自下而上先进陶瓷制造方法。