眾所周知，與傳統(tǒng)的增材制造技術(shù)(3D打印)相比，4D打印技術(shù)(四維打印)增加了時間維度。采用4D打印工藝制備的結(jié)構(gòu)可以隨著外界環(huán)境(光、熱、磁、電等)的變化而改變其形狀和形態(tài)，4D打印具有廣闊的應(yīng)用前景。近日，來自北京航空航天大學(xué)的研究者們整理了目前4D打印技術(shù)的現(xiàn)狀，研究成果應(yīng)用前景和存在的問題等，下面就請大家跟隨南極熊一起看下去吧。
4D打印的介紹和概念
基于3D打印，4D打印采用能夠響應(yīng)外部環(huán)境(即電場、磁場、溫度、濕度、PH等)變化的智能材料。或者采用特定的打印工藝，使打印部件對外界刺激做出響應(yīng)并使其幾何尺寸和內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。在2013年TED大會上，Tibits等人將一個軟柱體浸入水中，圓柱體在水中自動彎曲和變形，形成特定的形狀。這些關(guān)于4D打印的結(jié)果引起了研究人員們廣泛的關(guān)注，許多關(guān)于4D打印的研究已經(jīng)開始涌現(xiàn)。綜上所述，相對于3D打印而言，4D打印的附加維度主要是指時間維度。結(jié)果表明，打印品在受到外界環(huán)境(如溫度、濕度、電流、磁場等)刺激時，會發(fā)生形狀或其他形態(tài)的變化。目前對4D打印技術(shù)的研究主要集中在變形能力方面。傳統(tǒng)的打印元件響應(yīng)外界激勵的方法通常需要三個部分：傳感器、處理器和執(zhí)行器。4D打印部件本身無需伺服驅(qū)動設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)對外界刺激的響應(yīng)，降低了結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和重量。
4D打印可以通過使用不同特性的形狀記憶材料來實(shí)現(xiàn)元件對外部環(huán)境變化的響應(yīng)。這種反應(yīng)是外部刺激對材料的“驅(qū)動”效應(yīng)。4D打印的研究主要集中在開發(fā)能夠響應(yīng)外界刺激的智能材料。目前，在4D打印中應(yīng)用較廣泛的材料有形狀記憶聚合物、天然纖維、形狀記憶合金。通過將材料的智能特性與增強(qiáng)的制造技術(shù)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品對外界刺激的整體響應(yīng)。根據(jù)打印部件對外界刺激的響應(yīng)程度不同，4D打印可分為水、熱、磁、電、光等多種驅(qū)動方式。
1. 水驅(qū)動4D打印
水驅(qū)動4D打印部件通常由暴露在水中時具有體積變化的材料作為驅(qū)動組件，而親水性材料作為基質(zhì)組件。當(dāng)驅(qū)動部件與水分子結(jié)合時，體積發(fā)生變化，發(fā)生變形。例如，親水性聚合物遇到水時會形成水凝膠，導(dǎo)致體積急劇增加，纖維素與水分子結(jié)合時會膨脹，基質(zhì)的驅(qū)動成分的變形最終會使水環(huán)境中的整體結(jié)構(gòu)變形。實(shí)現(xiàn)水驅(qū)動4D打印需要考慮的主要問題是制備具有溶脹各向異性的打印材料，以及在水環(huán)境中設(shè)計(jì)不同方向具有不同溶脹特性的打印材料。
水驅(qū)動4D打印技術(shù)的打印材料相對容易制造，不需要復(fù)雜的打印設(shè)備。它可以實(shí)現(xiàn)很大程度的變形。它有望應(yīng)用于人體、水下機(jī)器人等領(lǐng)域。然而，由于使用水響應(yīng)型智能材料的部件高度依賴于水環(huán)境，因此實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程精確控制是具有挑戰(zhàn)性的。水驅(qū)動4D打印還有很多應(yīng)用，可點(diǎn)擊文末鏈接查看。
3D打印機(jī)和零件變形工藝
2. 熱驅(qū)動4D打印
熱驅(qū)動4D打印技術(shù)通過調(diào)節(jié)溫度激活形狀記憶材料，以控制部件的變形。通常，可以響應(yīng)熱刺激的熱塑性形狀記憶聚合物或形狀記憶合金被用作熱驅(qū)動4D打印材料。其中，熱驅(qū)動形狀記憶聚合物比形狀記憶合金更容易制備，因此被廣泛應(yīng)用于熱驅(qū)動4D打印技術(shù)的研究。熱驅(qū)動形狀記憶聚合物的形狀記憶功能源于其分子鏈組分在溫度刺激下的玻璃化轉(zhuǎn)變或熔融轉(zhuǎn)變。熱驅(qū)動4D打印組件的經(jīng)典制造工藝是：首先，利用增材技術(shù)制造具有初始形狀的組件；然后，當(dāng)組件高于聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg時，將組件從初始形狀調(diào)整為臨時形狀，保持臨時形狀并將其冷卻至玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下，以使臨時形狀穩(wěn)定；當(dāng)再次加熱至玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上時，組件可恢復(fù)其原始形狀，實(shí)現(xiàn)形狀記憶功能。
加熱后支架的形狀變化過程
基于形狀記憶材料和襯底之間的熱應(yīng)變差異，Wang等人利用兩種材料在加熱時產(chǎn)生的不同熱應(yīng)變產(chǎn)生垂直于打印纖維的彎曲變形。抓取機(jī)構(gòu)由“手掌”和“手指”組成。“手掌”是一個預(yù)制的結(jié)構(gòu)件，手掌上安裝了三個“手指”。加熱時，三個手指彎曲變形以抓住目標(biāo)物體。
4D打印“手指”實(shí)現(xiàn)抓取動作
當(dāng)溫度變化時，大多數(shù)熱驅(qū)動的4D印刷部件將整體變形，但在實(shí)際應(yīng)用中，通常需要控制部件的局部變形。Teoh等研究了可以實(shí)現(xiàn)局部變形的成分。在三層花瓣中使用具有不同玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的形狀記憶聚合物以實(shí)現(xiàn)花的分層開花和部分組分的簡單控制。更精確和靈活的控制需要結(jié)合電，磁等驅(qū)動方法。
三層花瓣開花過程
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