最近在美国新一期《科学进步》杂志上发表的研究表明，中国香港城市大学吕健教授研究小组首次实现了陶瓷4D打印。该新技术预计将应用于空间探索、电子产品和航空发动机制造。
4D打印是在3D打印的基础上增加时间维度。4D打印直接将设计内置到材料中，使材料在设定时间内自动变形为所需的形状，并可随时间变化。
与3D打印相比，4D打印对材料的要求更高。水凝胶等聚合物主要用作4D打印的“墨水”，但水凝胶聚合物的应用范围有限。陶瓷前驱材料应用广泛，但自变形困难，限制了其在4D打印中的发展。
吕健研究小组的印刷技术采用复合弹性陶瓷材料，完成了从3D印刷到结构变形的过程，实现了陶瓷折纸结构和4D陶瓷印刷的印刷。
他们采用低成本的“墨水直接写作技术”，用二氧化锆纳米颗粒混合的聚二甲基硅氧烷复合材料构建3D弹性体结构。这种结构柔软有弹性，可以拉伸到3倍以上，金属丝可以折叠变形，形成蝴蝶、悉尼歌剧院、玫瑰、裙子等折纸结构。
研究人员利用这种柔性特性设计了一种自动拉伸装置，使3D弹性结构的基础拉伸产生预应力，并在其上打印主结构。当预应力释放时，主结构变形，形成4D打印所需的弹性结构，热处理后可转化为4D陶瓷。
吕健说，这种4D打印技术可以广泛应用于个性化定制。其优点是，一系列形状相似、连续可变的结构可以通过相对简单的图纸设计衍生出来，而传统的3D打印只能用一张图纸对应一个结构。
此外，4D陶瓷热处理只需1000摄氏度，而传统陶瓷粉末烧结需1600摄氏度，因此4D打印工艺成本相对较低。
研究人员认为，如果在太空探索领域应用新技术，预计将折叠3D打印前驱体以节省空间，然后进入太空以获得所需的结构。
