史玉升教授：4D打印智能構(gòu)件的增材制造技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域

來源：增材制造技術(shù)前沿

4D打印技術(shù)自2013年提出以來就引起了學(xué)術(shù)和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，它屬于智能構(gòu)件的增材制造技術(shù)，是在材料、機(jī)械、力學(xué)、信息等學(xué)科高度交叉融合基礎(chǔ)上產(chǎn)生的顛覆性制造技術(shù)。華中科技大學(xué)史玉升教授團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)行了大量研究，當(dāng)屬國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究先驅(qū)，本文將展示他們?cè)?D打印概念、研究進(jìn)展及應(yīng)用領(lǐng)域的部分見解，文章歸屬于《4D打印技術(shù)專題》。

4D打印研究概況

4D打印技術(shù)是3D打印在三維坐標(biāo)軸基礎(chǔ)上增加了“時(shí)空軸”，也應(yīng)當(dāng)歸入增材制造技術(shù)的范疇。2013年1月到2019年12月，WebofScience統(tǒng)計(jì)了關(guān)于4D打印技術(shù)的研究論文發(fā)表情況，從中可以看出關(guān)于4D打印的論文發(fā)表數(shù)量逐年增多，論文引用量也在逐年增多；關(guān)于4D打印的研究主陣地在美國，中國緊隨其后，論文發(fā)表數(shù)量大約只有美國的一半。而目前研究4D打印的工藝以現(xiàn)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(shù)。

Web of Science 關(guān)于4D打印研究論文發(fā)表的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

盡管在4D打印領(lǐng)域已有比較多的研究，但4D打印的概念與內(nèi)涵還存在爭(zhēng)議：是“3D打印+時(shí)間”，還是“3D打印+智能材料”？抑或“3D打印+智能材料/結(jié)構(gòu)”？眾說紛紜，尚未達(dá)成共識(shí)。4D打印是否“只能看、不能用”？應(yīng)當(dāng)以什么思路進(jìn)行研究？現(xiàn)在發(fā)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(lǐng)域的研究者迫切想知道的問題。

4D打印技術(shù)內(nèi)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(huì)上提出，他將一個(gè)軟質(zhì)長(zhǎng)圓柱體放入水中，該物體自動(dòng)折成“MIT”的形狀，這一形狀改變的演示即是4D打印技術(shù)的開端，隨后掀起了研究4D打印的熱潮。4D打印在提出的時(shí)候被定義為“3D打印+時(shí)間”，即3D打印的構(gòu)件，隨著時(shí)間的推移，在外界環(huán)境的刺激(如熱能、磁場(chǎng)、電場(chǎng)、濕度和pH值等)下，能夠自驅(qū)動(dòng)地發(fā)生形狀的改變。由此可見，最初的4D打印概念主要體現(xiàn)在現(xiàn)象演示方面，注重的是構(gòu)件形狀的改變，并且認(rèn)為4D打印是智能材料的3D打印，關(guān)鍵要在3D打印中應(yīng)用智能材料。

隨著研究的深入，4D打印的概念和內(nèi)涵也在不斷演變和深化。2016年，華中科技大學(xué)史玉升教授組織國內(nèi)的有關(guān)專家，在中國武漢召開了第一屆4D打印技術(shù)學(xué)術(shù)研討會(huì)，提出4D打印的內(nèi)涵，即增材制造構(gòu)件的形狀、性能和功能能夠在外界預(yù)定的刺激下，隨時(shí)間發(fā)生變化。推動(dòng)了4D打印技術(shù)由概念向內(nèi)涵方向發(fā)展，相比于最初的4D打印概念，新提出的內(nèi)涵表明4D打印構(gòu)件隨外界刺激的變化不僅僅是形狀，還包括構(gòu)件的性能和功能，這使得4D的內(nèi)涵更豐富，有利于4D打印技術(shù)從現(xiàn)象演示逐漸走向?qū)嶋H應(yīng)用，只有性能和功能發(fā)生了變化才滿足功能化、智能化的定義，才具備應(yīng)用價(jià)值。

華中科技大學(xué)4D打印柔性磁電器件流程示意圖

然而，史玉升教授團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)上述新提出的4D打印內(nèi)涵仍然存在一定的局限性，尚未完全揭示4D打印的內(nèi)涵。為此，他們隨后每年舉行一次4D打印技術(shù)大會(huì)進(jìn)行討論和交流，通過持續(xù)交流討論認(rèn)為，4D打印不僅是應(yīng)用智能材料，還可以是非智能材料；也應(yīng)當(dāng)包括智能結(jié)構(gòu)，即在構(gòu)件的特定位置預(yù)置應(yīng)力或者其它信號(hào)；4D打印構(gòu)件的形狀、性能和功能不僅是隨著時(shí)間維度發(fā)生變化，應(yīng)當(dāng)還能隨空間維度發(fā)生變化，并且這些變化是可控的。因此，進(jìn)一步深化的4D打印內(nèi)涵注重在光、電、磁和熱等外部因素的激勵(lì)誘導(dǎo)下，4D打印構(gòu)件的形狀、性能和功能能夠隨時(shí)空變化而自主調(diào)控，從而滿足“變形”、“變性”和“變功能”的應(yīng)用需求，這“三變”中只要實(shí)現(xiàn)了其中一個(gè)，便認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)了4D打印。今后，隨著4D打印研究的持續(xù)深入，其內(nèi)涵也必將進(jìn)一步得到升華。

4D打印技術(shù)的應(yīng)用前景
4D打印技術(shù)是在材料、機(jī)械、力學(xué)、信息等學(xué)科的高度交叉融合基礎(chǔ)上產(chǎn)生的顛覆性制造技術(shù)，是制造復(fù)雜智能構(gòu)件的有效手段。因此，4D打印技術(shù)具備廣闊的應(yīng)用前景，必將推動(dòng)高端制造領(lǐng)域的發(fā)展。

1. 航空航天領(lǐng)域
4D打印技術(shù)不僅可解決航空航天領(lǐng)域部分構(gòu)件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)器、新型熱防護(hù)技術(shù)、航天功能變形件等智能構(gòu)件的設(shè)計(jì)制造中將展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)。下面以航空領(lǐng)域的智能變體飛機(jī)和航天領(lǐng)域的人造衛(wèi)星天線為例闡述4D打印技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的典型應(yīng)用。

美國國家航空航天局提出的智能變體飛機(jī)的概念設(shè)計(jì)

美國國家航空航天局提出一種未來的智能變體飛機(jī)的設(shè)計(jì)構(gòu)想。該智能變形飛機(jī)的外形可隨外界環(huán)境而產(chǎn)生自適應(yīng)變化，能保持整個(gè)過程中性能最優(yōu)，舒適性高同時(shí)成本降低。飛機(jī)在巡航、起飛、降落和盤旋的時(shí)候，可以自動(dòng)響應(yīng)環(huán)境的變化分別變形至最佳形狀，以獲得各種狀態(tài)下最優(yōu)異的性能。比如，適當(dāng)改變展長(zhǎng)可以使得升阻比提高，從而增大航程和航時(shí)；改變弦長(zhǎng)可以優(yōu)化升阻比，提高飛行速度和機(jī)動(dòng)性；改變機(jī)翼的彎度可以增強(qiáng)飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性。這是4D打印在航空領(lǐng)域典型的、極具前景的應(yīng)用。

形狀記憶合金成形的人造衛(wèi)星天線

4D打印技術(shù)還可用于成形折疊式衛(wèi)星天線。形狀記憶合金是一種具有變形回復(fù)能力的智能金屬材料，常用于4D打印工藝，用來成形結(jié)構(gòu)復(fù)雜的智能構(gòu)件，這種折疊式的衛(wèi)星天線就是一例典型應(yīng)用。當(dāng)衛(wèi)星在地面尚未發(fā)射時(shí)，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(tuán)狀，等衛(wèi)星發(fā)射后進(jìn)入太空，天線受到太陽的輻射而溫度升高，即能回復(fù)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(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，其性能能夠人為定量控制，這是傳統(tǒng)制造工藝無法實(shí)現(xiàn)的。并且天線可以在發(fā)射前以折疊的形式放在衛(wèi)星艙體內(nèi)，使得衛(wèi)星的空間可以得到很好的利用，關(guān)鍵是相對(duì)于傳統(tǒng)衛(wèi)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(yōu)點(diǎn)。

2.汽車領(lǐng)域
在汽車領(lǐng)域，智能自修復(fù)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(fā)生事故后實(shí)現(xiàn)“自我修復(fù)”的功能，還可以改變汽車的外觀和顏色。4D打印構(gòu)件組成的汽車會(huì)具有可變的外形，比如可調(diào)節(jié)的天窗和擾流板，汽車可以根據(jù)氣流改進(jìn)其空氣動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)，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(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度低于形狀記憶合金的響應(yīng)溫度時(shí)，形狀記憶合金彈簧處于壓縮狀態(tài)，則活門關(guān)閉；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度升高至響應(yīng)溫度以上時(shí)，彈簧則為伸長(zhǎng)狀態(tài)，從而活門打開，冷空氣可以進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)室內(nèi)。

記憶合金溫控器

3. 生物醫(yī)療領(lǐng)域
生物支架經(jīng)常用在外科手術(shù)中。如血管支架，起到擴(kuò)充血管的作用。我們希望支架在植入時(shí)所占空間較小，處于收縮狀態(tài)，當(dāng)植入到指定位置時(shí)再撐開以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)充血管的功能。支架一般是多孔結(jié)構(gòu)，這些特點(diǎn)使得4D打印技術(shù)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(shí)形狀到永久形狀(功能實(shí)現(xiàn))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(shù)的重要應(yīng)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(huán)抱型鎖式接骨器，形狀記憶合金在溫度刺激下發(fā)生變形，撐開以實(shí)現(xiàn)骨骼的固定。

4D打印技術(shù)在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

4. 軟體機(jī)器人領(lǐng)域

軟體機(jī)器人也是4D打印技術(shù)的典型應(yīng)用之一。軟體機(jī)器人廣泛采用仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，模仿自然界中的軟體動(dòng)物，由可承受大應(yīng)變的柔軟材料成形，可以在大范圍內(nèi)任意地改變自身形狀和尺寸，具有無限多自由度和連續(xù)變形能力。4D打印軟體機(jī)器人不需要復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，并具有多種功能屬性，包括傳感、自修復(fù)和自組裝等功能。哈佛大學(xué)在2014年采用高彈性硅膠材料成形的仿海星軟體機(jī)器人，利用壓縮空氣提供軟體機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力；利用橡膠材料成形的氣動(dòng)肌肉可通過氣泵對(duì)肌肉充氣促使其發(fā)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(yīng)的高分子由于彈性勢(shì)能的釋放能從臨時(shí)形狀回復(fù)至初始形狀，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)抓取的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了軟體機(jī)器人的雛形。


結(jié)論與展望
4D打印在3D打印的基礎(chǔ)上引入了時(shí)間和空間的維度，通過對(duì)材料和結(jié)構(gòu)的主動(dòng)設(shè)計(jì)，使構(gòu)件的形狀、性能和功能在時(shí)間和空間維度上能實(shí)現(xiàn)可控變化，滿足變形、變性和變功能的應(yīng)用需求。3D打印技術(shù)要求構(gòu)件的形狀、性能和功能穩(wěn)定，而4D打印技術(shù)要求構(gòu)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(shù)在航空航天、汽車、生物醫(yī)療和軟體機(jī)器人等領(lǐng)域具備廣闊的應(yīng)用前景，由此可知4D打印不只是“能看”，而且要“能用”。對(duì)4D打印的深入研究必將推動(dòng)材料、機(jī)械、力學(xué)、信息等學(xué)科的進(jìn)步，為智能材料、非智能材料和智能結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展提供新的契機(jī)。