在“形状变化设计：响应式建筑的3D打印复合材料案例研究”中，Elena，Benay 和Jose介绍了定制部件以优化形状变化行为的细节。宾夕法尼亚州立大学的研究人员直接进入4D，他们更全面地研究智能材料以及它们如何根据用户要求和环境变化（无论是由于温度、湿度还是其他因素）而变形。

回顾过去关于建筑系统由于“环境条件变化”而增强的能力的研究，作者受到启发，设想了建筑4D框架的新概念，并将不可预测性概念纳入这些框架中，这些框架可视为学习的机会。他们的问题和使命不仅成为如何利用这些能力，而且还成为如何控制它们，因为它们形成了一种独特的“水活性建筑表皮系统”，可以对空气中的水分产生反应。这些材料是3D打印的，基于木材的生物复合材料。通过自定义设置，团队能够研究材料的行为，并将注释与之前使用木材进行的4D实验进行比较。

3D打印双层复合材料的系统探索框架。

“在木基复合材料的情况下，3D打印可以为导致不同膨胀和形状变化的层设计特定的图案。”研究人员表示。

6个不同刀具路径几何结构的3D打印双层复合材料样品及其对热水浸泡的响应。

在设置3D打印参数时，团队使用Grasshopper的Silkworm插件来自定义G代码，从而不仅在喷嘴上建立控制，而且在打印模式上建立控制。这意味着能够操纵纤维取向和形状变化动力学。其他确定的参数如下：

•打印层数

•图层高度

•双层配置中活动层和约束层的顺序

•道路距离控制孔隙度

“我们通过定制G代码控制的3D打印设置包括床和喷嘴温度以及3D打印速度。”研究人员表示，“3D打印时使用的另一个参数是使用的丝材，以及是使用单一材料还是使用多种材料打印物体。”

在案例研究的开始阶段，3D团队用PLA打印了一些样本，以便进行比较。下一组“探索”包括使用胶合板，一种由40wt％木纤维制成的木质材料。作者指出，如果存在大量的湿度，用Laywood打印的样品的伸长率为106％。活化剂既有温度又有湿度，其暴露时间与样品的影响程度直接对应。

6个双层木基生物复合材料样品的形状变化，间隔10分钟，总持续时间为40分钟。

研究人员意识到孔隙度和打印角度对活化形状的影响，以组合三角形的形式创建了175 x 75mm原型。他们发现，受潮湿的样品在70分钟后发生变形。

水活性建筑表皮的原型设计

研究人员说：“为了评估样品是如何在几个小时而不是几分钟内保持形状的变化，我们记录了原型B在7小时内的形状变化。”

原型A的形状变化，间隔10分钟，B）原型B的形状变化，间隔2小时。

在他们的实验过程中，研究人员发现他们可以改变孔隙度水平，这使他们能够控制4D模型。他们还能够使用研究参数来控制他们创建的“建筑表皮”中的透明度。正如之前许多其他研究已经注意到的那样，3D打印将允许制造复杂的几何形状。关于这个项目，作者指出，许多其他类型的材料可用于创建建筑皮肤系统。作者还指出，单材料原型在潮湿条件下完全变形，因此作者认为，未来采用多材料方法可能更为成功。

“在进行的探索中，设计决策协调几何之间的相互依赖性，从刀具路径到整体形式，3D打印设置和时间，作为设计过程中的附加维度。这项研究代表了形状转换，我们认为系统的材料探索和计算使我们在设计形状变化时更接近控制这种动态行为。”研究人员总结道。

“我们假设，一旦通过系统的材料探索形式化变形行为，就可以将材料智能嵌入到参数计算机模型中。这构成了本研究的下一个阶段，可以使我们在实现之前探索计算机中的设计变化。它还将允许我们创建计算机模拟，以评估建筑表皮设计在控制气流、日光和室内温度方面的性能。”

参与3D打印研究的科学家们正在全世界努力改进和完善使用该技术的不同方法。随着3D打印软件和硬件领域不断取得新进展，材料研究成为了一个强有力的焦点，复合材料在加工金属过程中非常受欢迎，从碳纳米管复合材料到PEEK复合材料或用连续纤维进行试验。