可撐起3輛特斯拉重量的「4D陶瓷列印」是怎麼煉成的?

僅為示意圖,並非4D列印機 (圖片:AFP)
僅為示意圖,並非4D列印機 (圖片:AFP)

《DeepTech》報導,香港城市大學副校長呂堅帶領團隊已於去年發表了 4D 列印優勢與應用,相關研究呂堅教授已以 Origami and 4D printing of elastomer-derived ceramic structures 為題發表論文,該論文強調,4D 列印將不同於以往 3D 列印為固定型態,並運用團隊新研發出的陶瓷墨水列印物品,而本文就將帶領投資人進一步探討,4D 陶瓷列印究竟是什麼原理煉成的?

首要了解,4D 列印並不是「第四維度」,而是自我組裝,即材料通過軟體設定模型和時間自動變成為預設的模型,其中僅需在一定的刺激下如光、水、熱等便能完成,而目前 4D 列印集中在高分子材料上,例如水凝膠等。

D、E 為兩種 4D 列印的方法 (圖片來源:呂堅教授論文)
D、E 為兩種 4D 列印的方法 (圖片來源:呂堅教授論文)

以材料面來看,陶瓷過去就受 3D 列印所廣泛使用,然而陶瓷材料不易產生變形而限制了 4D 列印的優勢,因此呂堅團隊研發出陶瓷墨水,此墨水具有彈性、可以發生可編程自變形以及軟的特性,通過一系列的物理和化學反應,這種彈性體就轉換成了陶瓷,且此種墨水也可沿用至 3D 列印之上。

以成本面而言 4D 列印不需要 3D 列印的光刻法,使用一般能量即可生成,且藉由墨水的技術革新。

4D 列印將不再需要傳統陶瓷粉末燒結技術所需要的大概 1600 度以上的高溫,4D 列印所使用的前驅體轉變只需溫度 1000 度即可,在能源耗用與成本都具有優勢。

陶瓷墨水製成品在測試中發現了很好的延展性 (圖:呂堅教授論文)
陶瓷墨水製成品在測試中發現了很好的延展性 (圖:呂堅教授論文)

經過團隊實驗後發現,使用陶瓷墨水的 3D 列印成品具有很強的延展性,而延展的可能也使 4D 列印的發想出現,4D 列印則將延展的步驟流程程式化後將陶瓷做更複雜的結構,有些甚至是手工難以製成的。

4D 列印使陶瓷產品能有更複雜的結構 (圖:呂堅教授論文)
4D 列印使陶瓷產品能有更複雜的結構 (圖:呂堅教授論文)

除了延展性的優勢外,團隊也發現其具有耐高溫即高壓的特性,耐高溫部分未來將能運用至航太的外部組件;而耐高壓由於能達到 547 兆帕,也就是能在上面壓大概將近 3 輛特斯拉跑車的重量,預計將有利於機械工程領域的應用。

此外,還有與客製化設計息息相關的生物醫療領域,人體中的牙齒和骨骼都是不同材料的陶瓷,因此便有機會應用 3D 列印來進行客製化設計,而且因為陶瓷墨水是一個開放性系統,它可以根據需求來調整裡面陶瓷的配方,所以在生物醫療領域的應用也令人期待。


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