綜述：4D打印技術(shù)進(jìn)展！你想知道的4D打印這里都有！

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(shí)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�；蛘卟捎锰囟ǖ拇蛴」に嚕�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(gè)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(shí)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(shí)，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(gè)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(shí)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(shí)，體積發(fā)生變化，發(fā)生變形。例如，親水性聚合物遇到水時(shí)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(shí)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(shí)，將組件從初始形狀調(diào)整為臨時(shí)形狀，保持臨時(shí)形狀并將其冷卻至玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下，以使臨時(shí)形狀穩(wěn)定；當(dāng)再次加熱至玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上時(shí)，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(shí)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�！笆终啤笔且粋�(gè)預(yù)制的結(jié)構(gòu)件，手掌上安裝了三個(gè)“手指”。加熱時(shí)，三個(gè)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(shí)，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

熱驅(qū)動的4D打印組件可以穩(wěn)定地保持臨時(shí)形狀，并且可以通過控制溫度來調(diào)整臨時(shí)形狀，使得組件具有不同的機(jī)械性能。Tao等人利用熱驅(qū)動形狀記憶聚合物的臨時(shí)可調(diào)形狀的性質(zhì)，結(jié)合超材料的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，創(chuàng)造出形狀可調(diào)、彈性模量變化顯著、可重復(fù)使用的智能多穩(wěn)態(tài)超材料。這種新材料可用于許多領(lǐng)域，如軟機(jī)器人和變形的翅膀。Liu等人還開發(fā)了一種基于熱驅(qū)動形狀記憶聚合物的零泊松比超材料，它可以感知溫度變化并改變機(jī)械性能。Hassanin等人將4D打印技術(shù)與超彈性/形狀記憶Ni-Ti負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)相結(jié)合，利用粉末床熔合系統(tǒng)的4D打印工藝制造了優(yōu)化的Ni-Ti膨脹結(jié)構(gòu)。Bodaghi研究了基于FDM打印技術(shù)的自折疊和自纏繞平面自適應(yīng)超材料，它可以在多個(gè)維度上變換形狀。Momeni等人用聚乳酸材料研究了植物的仿生智能風(fēng)電葉片。該結(jié)構(gòu)只需提供激勵即可實(shí)現(xiàn)發(fā)電風(fēng)機(jī)葉片的彎扭耦合變形，不需要使用傳統(tǒng)的傳感器、執(zhí)行器和傳動裝置。這大大降低了控制的復(fù)雜性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，4D打印仿生葉片比平面葉片具有更好的氣動性能。熱驅(qū)動4D打印還有很多應(yīng)用，可點(diǎn)擊文末鏈接查看。

4D仿真智能葉片

溫度控制直接影響熱驅(qū)動4D打印元件的響應(yīng)效果和響應(yīng)時(shí)間。環(huán)境溫度的變化很難在短時(shí)間內(nèi)完成，這對快速實(shí)現(xiàn)元器件的響應(yīng)過程是一個(gè)挑戰(zhàn)。

3.磁驅(qū)動4D打印

磁驅(qū)動4D打印技術(shù)是通過磁場激活并控制4D打印部件。主要有兩種實(shí)現(xiàn)方式：直接響應(yīng)和間接響應(yīng)。直接響應(yīng)法是將混合有磁性顆粒的基質(zhì)固定成臨時(shí)形狀，并將其置于磁場中。磁場改變了磁性顆粒中的磁疇。當(dāng)再次施加相同的磁場時(shí)，基體中的磁性顆粒的磁場會對施加的磁場做出響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)形狀記憶。間接響應(yīng)法是基于磁性顆粒在磁場中的磁熱效應(yīng)，利用熱量驅(qū)動元件，該方法是熱驅(qū)動方法的變體。

Caputo等人利用粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)研究了Ni-Mn-Ga磁性形狀記憶合金網(wǎng)狀零件的增材制造。Zhu等人研究了含有軟磁鐵顆粒的復(fù)合打印油墨材料。這種材料是由聚二甲基硅氧烷(PDMS)作為柔性基體成分制成的，以實(shí)現(xiàn)形狀恢復(fù)功能，用PDMS/Fe墨水制成的蝴蝶樣品的翅膀可以在外加磁場中快速拍動，變形過程在0.7s內(nèi)完成。其響應(yīng)速度遠(yuǎn)快于熱驅(qū)動材料和水驅(qū)動材料，這表明了將其應(yīng)用于磁響應(yīng)器件的可能性。

仿生蝴蝶翅膀的變形過程

為了使樣品在外加磁場中變形，Shinoda等人使用了一種分散有磁粉的紫外光固化凝膠材料。他們在加工過程中施加磁場，在固化部分產(chǎn)生磁各向異性。最后，他們制造了蠕蟲型軟驅(qū)和可以在窄范圍內(nèi)爬行的人造纖毛；除了磁性粒子，離子在磁場中運(yùn)動的原理也被用來驅(qū)動4D打印組件。McCracken等人基于直接墨水書寫(DIW)技術(shù)來控制水凝膠中的離子梯度，打印了一種模仿海洋生物的結(jié)構(gòu)，并通過選擇性地控制離子結(jié)合劑的價(jià)位產(chǎn)生可在局部磁場存在下激活的4D打印結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)空間結(jié)構(gòu)變化。磁驅(qū)動4D打印還有很多應(yīng)用，可點(diǎn)擊文末鏈接查看。

磁場中的4D打印組件模擬海洋生物的變形

無論是熱驅(qū)還是水驅(qū)，都高度依賴外部環(huán)境，這在一定程度上限制了4D打印技術(shù)的發(fā)展。與熱驅(qū)動法和水驅(qū)動法相比，磁力驅(qū)動對環(huán)境的依賴性更小，實(shí)現(xiàn)了特定的“遠(yuǎn)程控制”，誘導(dǎo)非接觸式熱變形。同時(shí)，由于磁場可以實(shí)現(xiàn)快速變化和轉(zhuǎn)換，因此磁驅(qū)動的4D打印組件通常具有更高的響應(yīng)速度。

4.電驅(qū)動4D打印

電驅(qū)動形狀記憶效應(yīng)主要是利用電流的電阻加熱效應(yīng)。通過嵌入具有電熱效應(yīng)的材料(如電熱絲、導(dǎo)電填料等)。在該部件中，當(dāng)加熱材料被通電時(shí)，形狀記憶效應(yīng)被激活。這種驅(qū)動方式的優(yōu)點(diǎn)是不需要改變外部環(huán)境溫度，因此具有更高的加熱效率和更快的響應(yīng)速度。通過放置加熱材料可以控制部件的局部變形。

基于FDM原理，Zeng等人利用碳纖維增強(qiáng)聚乳酸形狀記憶復(fù)合材料(CFRSMPC)制造了4D打印元件。碳纖維既是增強(qiáng)材料，又是熱源。測試結(jié)果表明，4D印刷CFRSMPC在75s內(nèi)完成了電致形狀記憶效應(yīng)，試件的形狀恢復(fù)率在95%以上，說明電阻加熱方法是穩(wěn)定可行的；基于電驅(qū)動的原理，Shao等人將銀納米線(Ag-NW)植入聚乳酸(PLA)中，制備了電驅(qū)動4D打印復(fù)合材料。Ag-NWS金屬絲經(jīng)多次拉伸和彎曲變形后仍具有良好的導(dǎo)電性。電驅(qū)動4D打印還有很多應(yīng)用，可點(diǎn)擊文末鏈接查看。

4D打印CFRSMPC板形恢復(fù)工藝

在寒冷的環(huán)境中抓取動作

5.光驅(qū)動4D打印

光驅(qū)動4D打印是指以光作為激發(fā)源來改變4D打印組件的結(jié)構(gòu)或外觀。Lendlein等人研究了含有肉桂基團(tuán)的聚合物可以通過紫外線照射變形并固定成預(yù)定形狀，例如拉長的薄膜和管、拱形或螺旋形。即使加熱到50℃，變形也能保持較長時(shí)間的穩(wěn)定。當(dāng)它們暴露在不同的紫外光波長下時(shí)，它們可以在環(huán)境溫度下恢復(fù)原來的形狀。

變形過程

Amornkitbamrung等人研究了近紅外(NIR)光激活的形狀記憶聚合物，并以生物材料為原料合成了具有形狀記憶性能的V-fa/eco聚合物。合成材料的共聚物可以直接用作打印材料，而不需要使用其他聚合物作為基質(zhì)材料。當(dāng)打印材料中ECO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過50%時(shí)，在波長為808nm的近紅外光下，打印樣品可以在30秒內(nèi)被遠(yuǎn)程驅(qū)動，并且具有很高的回收率。電驅(qū)動4D打印還有很多應(yīng)用，可點(diǎn)擊文末鏈接查看。

不同比例 V-fa/ECO共聚物在近紅外光下的形狀恢復(fù)速度

光驅(qū)4D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程精確控制。然而，當(dāng)部件受阻或打印材料的透明度不好時(shí)，該驅(qū)動方法很可能失敗，從而限制其應(yīng)用。

總結(jié)

4D打印的研究工作需要廣泛整合材料科學(xué)、信息科學(xué)、機(jī)械工程、力學(xué)等學(xué)科的專業(yè)知識，實(shí)現(xiàn)加法制造技術(shù)與智能材料的深度融合。4D打印技術(shù)的最終目的是直接制造具有一定智能功能的結(jié)構(gòu)，從而簡化結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，減輕結(jié)構(gòu)的重量，這對提高結(jié)構(gòu)的智能化具有重要意義。目前，4D打印技術(shù)已在軟機(jī)器人、航空航天、生物醫(yī)學(xué)8、食品開發(fā)等領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用潛力，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和研究的深入，4D打印技術(shù)將在上述領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。

注：本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整，若需可以查看原文。

改編原文：Jiangbo B A I, Guangyu B U. Progress in 4D printing technology[J]. Journal of Advanced Manufacturing Science and Technology, 2022, 2(1): 2022001.

doi: 10.51393/j.jamst.2022001