史玉升教授：4D打印智能構件的增材制造技術及應用領域
時間：2024-01-03 09:38 來源：增材制造技術前沿 作者：admin 閱讀：次
4D打印技術自2013年提出以來就引起了學術和工業界的廣泛關注，它屬于智能構件的增材制造技術，是在材料、機械、力學、信息等學科高度交叉融合基礎上產生的顛覆性制造技術。華中科技大學史玉升教授團隊在該領域已經進行了大量研究，當屬國內在該領域的研究先驅，本文將展示他們在4D打印概念、研究進展及應用領域的部分見解，文章歸屬于《4D打印技術專題》。
4D打印技術是3D打印在三維坐標軸基礎上增加了“時空軸”，也應當歸入增材制造技術的范疇。2013年1月到2019年12月，WebofScience統計了關于4D打印技術的研究論文發表情況，從中可以看出關于4D打印的論文發表數量逐年增多，論文引用量也在逐年增多；關于4D打印的研究主陣地在美國，中國緊隨其后，論文發表數量大約只有美國的一半。而目前研究4D打印的工藝以現有常見的3D打印工藝為主，主要有FDM、SLA、墨水直寫、噴墨打印、DLP、SLS以及SLM技術。
盡管在4D打印領域已有比較多的研究，但4D打印的概念與內涵還存在爭議：是“3D打印+時間”，還是“3D打印+智能材料”？抑或“3D打印+智能材料/結構”？眾說紛紜，尚未達成共識。4D打印是否“只能看、不能用”？應當以什么思路進行研究？現在發展到什么程度？今后又該從哪些方面入手研究，這些都是4D打印領域的研究者迫切想知道的問題。
4D打印技術內涵不斷豐富
4D打印的概念最初是由美國麻省理工TIBBITS教授在2013年的TED大會上提出，他將一個軟質長圓柱體放入水中，該物體自動折成“MIT”的形狀，這一形狀改變的演示即是4D打印技術的開端，隨后掀起了研究4D打印的熱潮。4D打印在提出的時候被定義為“3D打印+時間”，即3D打印的構件，隨著時間的推移，在外界環境的刺激(如熱能、磁場、電場、濕度和pH值等)下，能夠自驅動地發生形狀的改變。由此可見，最初的4D打印概念主要體現在現象演示方面，注重的是構件形狀的改變，并且認為4D打印是智能材料的3D打印，關鍵要在3D打印中應用智能材料。
隨著研究的深入，4D打印的概念和內涵也在不斷演變和深化。2016年，華中科技大學史玉升教授組織國內的有關專家，在中國武漢召開了第一屆4D打印技術學術研討會，提出4D打印的內涵，即增材制造構件的形狀、性能和功能能夠在外界預定的刺激下，隨時間發生變化。推動了4D打印技術由概念向內涵方向發展，相比于最初的4D打印概念，新提出的內涵表明4D打印構件隨外界刺激的變化不僅僅是形狀，還包括構件的性能和功能，這使得4D的內涵更豐富，有利于4D打印技術從現象演示逐漸走向實際應用，只有性能和功能發生了變化才滿足功能化、智能化的定義，才具備應用價值。
然而，史玉升教授團隊發現上述新提出的4D打印內涵仍然存在一定的局限性，尚未完全揭示4D打印的內涵。為此，他們隨后每年舉行一次4D打印技術大會進行討論和交流，通過持續交流討論認為，4D打印不僅是應用智能材料，還可以是非智能材料；也應當包括智能結構，即在構件的特定位置預置應力或者其它信號；4D打印構件的形狀、性能和功能不僅是隨著時間維度發生變化，應當還能隨空間維度發生變化，并且這些變化是可控的。因此，進一步深化的4D打印內涵注重在光、電、磁和熱等外部因素的激勵誘導下，4D打印構件的形狀、性能和功能能夠隨時空變化而自主調控，從而滿足“變形”、“變性”和“變功能”的應用需求，這“三變”中只要實現了其中一個，便認為是實現了4D打印。今后，隨著4D打印研究的持續深入，其內涵也必將進一步得到升華。
4D打印技術的應用前景
4D打印技術是在材料、機械、力學、信息等學科的高度交叉融合基礎上產生的顛覆性制造技術，是制造復雜智能構件的有效手段。因此，4D打印技術具備廣闊的應用前景，必將推動高端制造領域的發展。
1. 航空航天領域
4D打印技術不僅可解決航空航天領域部分構件結構復雜、設計自由度低、制造難的問題，而且其“形狀、性能和功能可控變化”的特征在智能變體飛行器、柔性變形驅動器、新型熱防護技術、航天功能變形件等智能構件的設計制造中將展現出巨大的優勢。下面以航空領域的智能變體飛機和航天領域的人造衛星天線為例闡述4D打印技術在航空航天領域的典型應用。
美國國家航空航天局提出一種未來的智能變體飛機的設計構想。該智能變形飛機的外形可隨外界環境而產生自適應變化，能保持整個過程中性能最優，舒適性高同時成本降低。飛機在巡航、起飛、降落和盤旋的時候，可以自動響應環境的變化分別變形至最佳形狀，以獲得各種狀態下最優異的性能。比如，適當改變展長可以使得升阻比提高，從而增大航程和航時；改變弦長可以優化升阻比，提高飛行速度和機動性；改變機翼的彎度可以增強飛機的機動性。這是4D打印在航空領域典型的、極具前景的應用。
4D打印技術還可用于成形折疊式衛星天線。形狀記憶合金是一種具有變形回復能力的智能金屬材料，常用于4D打印工藝，用來成形結構復雜的智能構件，這種折疊式的衛星天線就是一例典型應用。當衛星在地面尚未發射時，將用形狀記憶合金絲4D打印成形的天線在冷卻條件下揉成團狀，等衛星發射后進入太空，天線受到太陽的輻射而溫度升高，即能回復到原來的初始形狀。這種4D打印的折疊式可展開天線可具備復雜的空間結構，其性能能夠人為定量控制，這是傳統制造工藝無法實現的。并且天線可以在發射前以折疊的形式放在衛星艙體內，使得衛星的空間可以得到很好的利用，關鍵是相對于傳統衛星的太陽能電池板和天線，折疊式天線還具備體積小、重量輕的優點。
2.汽車領域
在汽車領域，智能自修復材料可以大顯身手。汽車憑借智能材料，可以“記住”自身原來的形狀，甚至可以在汽車發生事故后實現“自我修復”的功能，還可以改變汽車的外觀和顏色。4D打印構件組成的汽車會具有可變的外形，比如可調節的天窗和擾流板，汽車可以根據氣流改進其空氣動力學結構，提升操縱性能。豐田公司采用TiNi基形狀記憶合金成形散熱器面罩活門，當發動機的溫度低于形狀記憶合金的響應溫度時，形狀記憶合金彈簧處于壓縮狀態，則活門關閉；當發動機溫度升高至響應溫度以上時，彈簧則為伸長狀態，從而活門打開，冷空氣可以進入發動機室內。
3. 生物醫療領域
生物支架經常用在外科手術中。如血管支架，起到擴充血管的作用。我們希望支架在植入時所占空間較小，處于收縮狀態，當植入到指定位置時再撐開以實現擴充血管的功能。支架一般是多孔結構，這些特點使得4D打印技術尤其適用于生物支架的成形。采用光固化成形的具有形狀記憶功能的氣道支架，從臨時形狀到永久形狀(功能實現)的形變過程僅需要14s。除了生物支架，接骨器也是4D打印技術的重要應用，和生物支架具有相同的形狀記憶原理，4D打印形狀記憶合金得到多臂環抱型鎖式接骨器，形狀記憶合金在溫度刺激下發生變形，撐開以實現骨骼的固定。
4. 軟體機器人領域
軟體機器人也是4D打印技術的典型應用之一。軟體機器人廣泛采用仿生結構設計技術，模仿自然界中的軟體動物，由可承受大應變的柔軟材料成形，可以在大范圍內任意地改變自身形狀和尺寸，具有無限多自由度和連續變形能力。4D打印軟體機器人不需要復雜的驅動機構，并具有多種功能屬性，包括傳感、自修復和自組裝等功能。哈佛大學在2014年采用高彈性硅膠材料成形的仿海星軟體機器人，利用壓縮空氣提供軟體機器人運動的驅動力；利用橡膠材料成形的氣動肌肉可通過氣泵對肌肉充氣促使其發生形變。采用光固化成形的形狀記憶光敏樹脂，可通過加熱至材料的玻璃化溫度以上，具有形狀記憶效應的高分子由于彈性勢能的釋放能從臨時形狀回復至初始形狀，從而實現一個抓取的動作，實現了軟體機器人的雛形。
結論與展望
4D打印在3D打印的基礎上引入了時間和空間的維度，通過對材料和結構的主動設計，使構件的形狀、性能和功能在時間和空間維度上能實現可控變化，滿足變形、變性和變功能的應用需求。3D打印技術要求構件的形狀、性能和功能穩定，而4D打印技術要求構件形狀、性能和功能可控變化。4D打印這種極具顛覆性的新興制造技術在航空航天、汽車、生物醫療和軟體機器人等領域具備廣闊的應用前景，由此可知4D打印不只是“能看”，而且要“能用”。對4D打印的深入研究必將推動材料、機械、力學、信息等學科的進步，為智能材料、非智能材料和智能結構的進一步發展提供新的契機。
4D打印研究概況
4D打印技術是3D打印在三維坐標軸基礎上增加了“時空軸”，也應當歸入增材制造技術的范疇。2013年1月到2019年12月，WebofScience統計了關于4D打印技術的研究論文發表情況，從中可以看出關于4D打印的論文發表數量逐年增多，論文引用量也在逐年增多；關于4D打印的研究主陣地在美國，中國緊隨其后，論文發表數量大約只有美國的一半。而目前研究4D打印的工藝以現有常見的3D打印工藝為主，主要有FDM、SLA、墨水直寫、噴墨打印、DLP、SLS以及SLM技術。
Web of Science 關于4D打印研究論文發表的統計數據
盡管在4D打印領域已有比較多的研究，但4D打印的概念與內涵還存在爭議：是“3D打印+時間”，還是“3D打印+智能材料”？抑或“3D打印+智能材料/結構”？眾說紛紜，尚未達成共識。4D打印是否“只能看、不能用”？應當以什么思路進行研究？現在發展到什么程度？今后又該從哪些方面入手研究，這些都是4D打印領域的研究者迫切想知道的問題。
4D打印技術內涵不斷豐富
4D打印的概念最初是由美國麻省理工TIBBITS教授在2013年的TED大會上提出，他將一個軟質長圓柱體放入水中，該物體自動折成“MIT”的形狀，這一形狀改變的演示即是4D打印技術的開端，隨后掀起了研究4D打印的熱潮。4D打印在提出的時候被定義為“3D打印+時間”，即3D打印的構件，隨著時間的推移，在外界環境的刺激(如熱能、磁場、電場、濕度和pH值等)下，能夠自驅動地發生形狀的改變。由此可見，最初的4D打印概念主要體現在現象演示方面，注重的是構件形狀的改變，并且認為4D打印是智能材料的3D打印，關鍵要在3D打印中應用智能材料。
隨著研究的深入，4D打印的概念和內涵也在不斷演變和深化。2016年，華中科技大學史玉升教授組織國內的有關專家，在中國武漢召開了第一屆4D打印技術學術研討會，提出4D打印的內涵，即增材制造構件的形狀、性能和功能能夠在外界預定的刺激下，隨時間發生變化。推動了4D打印技術由概念向內涵方向發展，相比于最初的4D打印概念，新提出的內涵表明4D打印構件隨外界刺激的變化不僅僅是形狀，還包括構件的性能和功能，這使得4D的內涵更豐富，有利于4D打印技術從現象演示逐漸走向實際應用，只有性能和功能發生了變化才滿足功能化、智能化的定義，才具備應用價值。
華中科技大學4D打印柔性磁電器件流程示意圖
然而，史玉升教授團隊發現上述新提出的4D打印內涵仍然存在一定的局限性，尚未完全揭示4D打印的內涵。為此，他們隨后每年舉行一次4D打印技術大會進行討論和交流，通過持續交流討論認為，4D打印不僅是應用智能材料，還可以是非智能材料；也應當包括智能結構，即在構件的特定位置預置應力或者其它信號；4D打印構件的形狀、性能和功能不僅是隨著時間維度發生變化，應當還能隨空間維度發生變化，并且這些變化是可控的。因此，進一步深化的4D打印內涵注重在光、電、磁和熱等外部因素的激勵誘導下，4D打印構件的形狀、性能和功能能夠隨時空變化而自主調控，從而滿足“變形”、“變性”和“變功能”的應用需求，這“三變”中只要實現了其中一個，便認為是實現了4D打印。今后，隨著4D打印研究的持續深入，其內涵也必將進一步得到升華。
4D打印技術的應用前景
4D打印技術是在材料、機械、力學、信息等學科的高度交叉融合基礎上產生的顛覆性制造技術，是制造復雜智能構件的有效手段。因此，4D打印技術具備廣闊的應用前景，必將推動高端制造領域的發展。
1. 航空航天領域
4D打印技術不僅可解決航空航天領域部分構件結構復雜、設計自由度低、制造難的問題，而且其“形狀、性能和功能可控變化”的特征在智能變體飛行器、柔性變形驅動器、新型熱防護技術、航天功能變形件等智能構件的設計制造中將展現出巨大的優勢。下面以航空領域的智能變體飛機和航天領域的人造衛星天線為例闡述4D打印技術在航空航天領域的典型應用。
美國國家航空航天局提出的智能變體飛機的概念設計
美國國家航空航天局提出一種未來的智能變體飛機的設計構想。該智能變形飛機的外形可隨外界環境而產生自適應變化，能保持整個過程中性能最優，舒適性高同時成本降低。飛機在巡航、起飛、降落和盤旋的時候，可以自動響應環境的變化分別變形至最佳形狀，以獲得各種狀態下最優異的性能。比如，適當改變展長可以使得升阻比提高，從而增大航程和航時；改變弦長可以優化升阻比，提高飛行速度和機動性；改變機翼的彎度可以增強飛機的機動性。這是4D打印在航空領域典型的、極具前景的應用。
形狀記憶合金成形的人造衛星天線
4D打印技術還可用于成形折疊式衛星天線。形狀記憶合金是一種具有變形回復能力的智能金屬材料，常用于4D打印工藝，用來成形結構復雜的智能構件，這種折疊式的衛星天線就是一例典型應用。當衛星在地面尚未發射時，將用形狀記憶合金絲4D打印成形的天線在冷卻條件下揉成團狀，等衛星發射后進入太空，天線受到太陽的輻射而溫度升高，即能回復到原來的初始形狀。這種4D打印的折疊式可展開天線可具備復雜的空間結構，其性能能夠人為定量控制，這是傳統制造工藝無法實現的。并且天線可以在發射前以折疊的形式放在衛星艙體內，使得衛星的空間可以得到很好的利用，關鍵是相對于傳統衛星的太陽能電池板和天線，折疊式天線還具備體積小、重量輕的優點。
2.汽車領域
在汽車領域，智能自修復材料可以大顯身手。汽車憑借智能材料，可以“記住”自身原來的形狀，甚至可以在汽車發生事故后實現“自我修復”的功能，還可以改變汽車的外觀和顏色。4D打印構件組成的汽車會具有可變的外形，比如可調節的天窗和擾流板，汽車可以根據氣流改進其空氣動力學結構，提升操縱性能。豐田公司采用TiNi基形狀記憶合金成形散熱器面罩活門，當發動機的溫度低于形狀記憶合金的響應溫度時，形狀記憶合金彈簧處于壓縮狀態，則活門關閉；當發動機溫度升高至響應溫度以上時，彈簧則為伸長狀態，從而活門打開，冷空氣可以進入發動機室內。
記憶合金溫控器
3. 生物醫療領域
生物支架經常用在外科手術中。如血管支架，起到擴充血管的作用。我們希望支架在植入時所占空間較小，處于收縮狀態，當植入到指定位置時再撐開以實現擴充血管的功能。支架一般是多孔結構，這些特點使得4D打印技術尤其適用于生物支架的成形。采用光固化成形的具有形狀記憶功能的氣道支架，從臨時形狀到永久形狀(功能實現)的形變過程僅需要14s。除了生物支架，接骨器也是4D打印技術的重要應用，和生物支架具有相同的形狀記憶原理，4D打印形狀記憶合金得到多臂環抱型鎖式接骨器，形狀記憶合金在溫度刺激下發生變形，撐開以實現骨骼的固定。
4D打印技術在生物醫療領域的應用
4. 軟體機器人領域
軟體機器人也是4D打印技術的典型應用之一。軟體機器人廣泛采用仿生結構設計技術，模仿自然界中的軟體動物，由可承受大應變的柔軟材料成形，可以在大范圍內任意地改變自身形狀和尺寸，具有無限多自由度和連續變形能力。4D打印軟體機器人不需要復雜的驅動機構，并具有多種功能屬性，包括傳感、自修復和自組裝等功能。哈佛大學在2014年采用高彈性硅膠材料成形的仿海星軟體機器人，利用壓縮空氣提供軟體機器人運動的驅動力；利用橡膠材料成形的氣動肌肉可通過氣泵對肌肉充氣促使其發生形變。采用光固化成形的形狀記憶光敏樹脂，可通過加熱至材料的玻璃化溫度以上，具有形狀記憶效應的高分子由于彈性勢能的釋放能從臨時形狀回復至初始形狀，從而實現一個抓取的動作，實現了軟體機器人的雛形。
結論與展望
4D打印在3D打印的基礎上引入了時間和空間的維度，通過對材料和結構的主動設計，使構件的形狀、性能和功能在時間和空間維度上能實現可控變化，滿足變形、變性和變功能的應用需求。3D打印技術要求構件的形狀、性能和功能穩定，而4D打印技術要求構件形狀、性能和功能可控變化。4D打印這種極具顛覆性的新興制造技術在航空航天、汽車、生物醫療和軟體機器人等領域具備廣闊的應用前景，由此可知4D打印不只是“能看”，而且要“能用”。對4D打印的深入研究必將推動材料、機械、力學、信息等學科的進步，為智能材料、非智能材料和智能結構的進一步發展提供新的契機。
(責任編輯：admin)
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