The ability to morph flat sheets into complex 3D shapes is extremely useful for fast manufacturing and saving materials while also allowing volumetrically efficient storage and shipment and a functional use. Direct 4D printing is a compelling method to morph complex 3D shapes out of as-printed 2D plates. However, most direct 4D printing methods require multi-material systems involving costly machines. Moreover, most works have used an open-cell design for shape shifting by encoding a collection of 1D rib deformations, which cannot remain structurally stable. Here, we demonstrate the direct 4D printing of an isotropic single-material system to morph 2D continuous bilayer plates into doubly curved and multimodal 3D complex shapes whose geometry can also be locked after deployment. We develop an inverse-design algorithm that integrates extrusion-based 3D printing of a single-material system to directly morph a raw printed sheet into complex 3D geometries such as a doubly curved surface with shape locking. Furthermore, our inverse-design tool encodes the localized shape-memory anisotropy during the process, providing the processing conditions for a target 3D morphed geometry. Our approach could be used for conventional extrusion-based 3D printing for various applications including biomedical devices, deployable structures, smart textiles, and pop-up Kirigami structures.


翻译:将平板板转换成复杂的 3D 形状的能力对于快速制造和保存材料极为有用,同时允许批量高效的储存和装运以及功能使用。 直接 4D 打印是将复合的 3D 形状从印成的 2D 版的2D 板块中变形的令人信服的方法。 然而,大多数直接 4D 打印方法都需要多材料系统, 涉及昂贵的机器。 此外, 大部分工程都使用开放细胞设计, 将1D 肋骨变形的集合编码成1D 结构, 无法保持结构稳定性。 这里, 我们展示了直接的 4D 4D 打印一个异端单材料系统, 将 2D 连续双层板制成双层板成双向双向型和3D 组合形状, 其几何形状在部署后也可以锁定。 我们开发了一个反称算算法算法, 将一个原始印刷纸板制成的3D 表格直接转换成复杂的 3D 3D 结构, 用于常规的打印机型机型机型机床结构, 3 。

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