雙向4D打印：3d打印形狀記憶材料可逆性研究

來源：供稿人：艾子超,、魯中良
供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
來源：中國機(jī)械工程學(xué)會增材制造技術(shù)（3D打印）分會

一,、引言
三維(3D)打印,，也被稱為增材制造或快速原型制作，自從1987年3D系統(tǒng)的立體光刻商業(yè)化以來,，已經(jīng)存在了三十年,。3D打印生產(chǎn)的零件已被廣泛用于新產(chǎn)品的原型制作以及傳統(tǒng)制造技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)和物體的制造。

目前3D打印的應(yīng)用非常廣泛,，3D打印不再僅僅用于工業(yè)或?qū)W術(shù)研究目的,，相反，它正在從原型方法轉(zhuǎn)變?yōu)槌墒斓闹圃旆椒�,。然而,，由于材料、�?gòu)建尺寸和成本的限制,，3D打印仍然無法取代大多數(shù)傳統(tǒng)的制造方法,。相反，它是對傳統(tǒng)制造業(yè)的補(bǔ)充,，以生產(chǎn)更復(fù)雜、功能更強(qiáng)的新產(chǎn)品,。然而,，3D打印在制造業(yè)中的應(yīng)用前景在很大程度上取決于適合3D打印技術(shù)的新材料的開發(fā)。

在過去的二十年里,，人們對形狀記憶材料進(jìn)行了許多研究,，這種材料也被稱為“智能”材料。這些材料在適當(dāng)?shù)拇碳は戮哂懈淖冃螤罨蛱匦缘哪芰�,。金屬合金和聚合物是這些材料中最受歡迎的,，并引起了相當(dāng)多的關(guān)注。

可3D打印“智能”材料的發(fā)展將3D打印推向了另一個(gè)層次,，即四維(4D)打印,。4D打印是3D打印與第四維即時(shí)間的結(jié)合。這種技術(shù)允許打印對象在適應(yīng)周圍環(huán)境的同時(shí)進(jìn)行形狀變化,。這一突破性的技術(shù)主要是由智能材料的快速發(fā)展和多材料印刷的最新進(jìn)展推動(dòng)的,。

可逆性通常被稱為“雙向記憶”，因?yàn)樗�賦予材料兩種永久的形狀,。目前大多數(shù)4D打印演示都是單向的,，這意味著每次恢復(fù)后設(shè)備必須重新編程。在4D打印中添加可逆性將允許重復(fù)驅(qū)動(dòng),，并消除重新編程的需要,，這是費(fèi)時(shí)費(fèi)力的,。圖1描述了加熱和冷卻作為刺激的不可逆(單向)形狀記憶和可逆(雙向)形狀記憶的效果。

圖1 (a)不可逆(單向)形狀記憶效應(yīng)的過程鏈,；(b)可逆(雙向)形狀記憶效應(yīng)的過程鏈

二,、形狀記憶合金和形狀記憶金屬的3D打印
（一）SMAs和SMMs的機(jī)制
形狀記憶合金(SMAs)是一類特殊的金屬合金，能夠在一定的刺激下恢復(fù)其原始形狀,。SMAs通常在金屬合金的兩個(gè)相變相之間經(jīng)歷一個(gè)編程過程,。這些相位取決于溫度或磁場的差異。這種轉(zhuǎn)變現(xiàn)象被稱為形狀記憶效應(yīng)(SME),。

為了實(shí)現(xiàn)SMAs和形狀記憶金屬(SMMs)的3D打印,，在評估其可重復(fù)性和當(dāng)前可打印性之前，有必要了解不同SMAs和SMMs的功能機(jī)制,。

1,、熱形狀記憶效應(yīng)

首先，必須知道合金可以存在于不同的相中,，并可以獲得不同的晶體結(jié)構(gòu),。SMAs通常存在于兩種不同的相中，具有三種不同的晶體結(jié)構(gòu)(孿晶馬氏體,、定晶馬氏體和奧氏體),，從而產(chǎn)生六種可能的轉(zhuǎn)變。SMAs的形狀記憶特征有三種類型,，即單向形狀記憶效應(yīng)(OWSME),、雙向形狀記憶效應(yīng)(TWSME)和偽彈性(PE)，如圖2所示,。

圖2 SMA相和晶體結(jié)構(gòu)

在OWSME中,，單向形狀記憶合金(OWSMA)在外力去除后保持變形狀態(tài)。加熱后,，它恢復(fù)原來的形狀,。實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變的驅(qū)動(dòng)力是高于奧氏體起始溫度(As)的相的化學(xué)自由能之差，這使得晶體具有可逆性,。在較低溫度下,，馬氏體組織穩(wěn)定，但在較高溫度下,，奧氏體組織更穩(wěn)定,。相變有一個(gè)描述相變開始和結(jié)束的溫度范圍:馬氏體相變開始為馬氏體開始溫度(Ms)，相變結(jié)束為馬氏體結(jié)束溫度(Mf),。SMA通常天然存在于孿晶馬氏體組織中,。當(dāng)載荷作用于SMA時(shí)，它會形成確定的馬氏體結(jié)構(gòu),。當(dāng)SMA卸載時(shí),，它保留了確定的馬氏體結(jié)構(gòu),。奧氏體轉(zhuǎn)變的起始點(diǎn)為As，轉(zhuǎn)變的結(jié)束點(diǎn)為奧氏體結(jié)束溫度(Af),。當(dāng)溫度超過A時(shí),，確定的馬氏體組織開始收縮并轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體組織，導(dǎo)致形狀恢復(fù),。如果將奧氏體加熱超過馬氏體不再受應(yīng)力誘導(dǎo)的最高溫度Md,，SMA將永久變形。一旦SMA再次冷卻到Ms以下,，轉(zhuǎn)變將導(dǎo)致奧氏體恢復(fù)到馬氏體組織,，并且轉(zhuǎn)變將在Mf以下完成。通過適當(dāng)?shù)臒釞C(jī)械處理獲得的一些SMAs表現(xiàn)出TWSME,，也稱為可逆SME,。雙向形狀記憶合金(TWSMA)與只能記住一種永久形狀的OWSMA不同，它可以在高溫和低溫下記住形狀,。這種效果的獨(dú)特功能是合金不需要承受外部機(jī)械應(yīng)力,。對于TWSME，SMA將在兩相之間轉(zhuǎn)變,，高溫時(shí)通常為奧氏體相,，低溫時(shí)為定孿馬氏體相。TWSMEs通常是通過定制偏向的OWSMA致動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)的,，該致動(dòng)器在結(jié)構(gòu)層面上的行為類似于TWSMA,。

SME的最后一類是PE。然而,，這種效果不如其他兩種形式的SME理想。在PE的機(jī)制中,，在沒有任何熱量的情況下,，當(dāng)負(fù)載在Af和Md之間移除時(shí)，SMA完全恢復(fù)到其原始形狀,。這種功能更像是彈性固體,，因此，它在智能材料的背景下就不那么重要了,。

2,、磁性形狀記憶效應(yīng)

磁性SMAs也被稱為鐵磁性SMAs。用于磁性SMAs的機(jī)制是雙邊界運(yùn)動(dòng),，也稱為磁塑性或磁誘導(dǎo)重定向(MIR),，以及磁場誘導(dǎo)相變。

馬氏體結(jié)構(gòu)的孿晶界運(yùn)動(dòng)取決于磁能的差值,，而磁能的差值超過了在孿晶界附近原子位移所需的機(jī)械能,。磁能的差異是由于孿生相關(guān)變異體中磁矩的不同方向,。這種MIR將導(dǎo)致磁化突然增加，并導(dǎo)致形狀變化,。磁化強(qiáng)度的增加使得驅(qū)動(dòng)頻率更高,，因?yàn)轵?qū)動(dòng)能量是通過磁場傳遞的，這比傳熱機(jī)制要快得多,。然而,，鐵磁化在高溫下會損失，這表明磁性SMA只能在低溫下發(fā)揮作用,。

第二種機(jī)制是磁場誘導(dǎo)相變,。這一機(jī)制類似于前面熱SME討論中提到的溫度誘導(dǎo)馬氏體相變。除了磁矩誘導(dǎo)的定向能外,，塞曼能量(Zeeman energy, ZE)在這一機(jī)制中起著至關(guān)重要的作用,。ZE是磁化體在外磁場中的勢能，也稱為外場能,。ZE來源于相變飽和磁化強(qiáng)度的差異,，并隨著磁場的增大而不斷增大。然而,，ZE只模糊地依賴于晶體取向,，這意味著多晶體也可以用作致動(dòng)器。由于飽和磁化之間的差異要大得多,，因此可以通過在不同相之間轉(zhuǎn)換(例如從鐵磁相到順磁性或反鐵磁相,，反之亦然)來最大化ZE。

（二）SMAs和SMMs的3D打印示例
3d打印SMAs的發(fā)展可以產(chǎn)生比聚合物更大規(guī)模的結(jié)構(gòu)材料,，用于建筑和醫(yī)療設(shè)備等應(yīng)用,。這種方式將為形狀記憶應(yīng)用開辟新的視角，因?yàn)?D打印方法可以用于任何其他方式都無法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜幾何形狀,。牙套是金屬的4D打印如何適用的一個(gè)例子,。目前牙齒矯正多采用鎳鈦諾(鎳鈦、NiTi)絲,。鎳鈦也用于自膨脹支架,。當(dāng)使用3d打印支架時(shí)，可以為患者定制支架,，并且可以在沒有球囊過程的情況下激活支架,，從而減少手術(shù)的侵入性。這樣的SMAs尚未最大限度地發(fā)揮其潛力,，因?yàn)榇蠖鄶?shù)傳統(tǒng)生產(chǎn)的SMAs都受到簡單幾何形狀的限制,。

NiTi是最受歡迎和廣泛研究的SMAs之一。盡管NiTi合金具有許多突出的功能特性，并表現(xiàn)出最佳的形狀記憶行為,，如高達(dá)8%的形狀恢復(fù)率,，但它們并不容易用傳統(tǒng)方法制造。造成這種困難的主要原因有三個(gè),。首先,，關(guān)于NiTi合金的機(jī)理，成分的變化會影響轉(zhuǎn)變溫度,。在高溫加工過程中會吸附雜質(zhì)元素,，導(dǎo)致氧化和顯微組織缺陷。其次,，NiTi合金的形狀記憶特性使其難以進(jìn)行精密加工,，并導(dǎo)致大量的刀具磨損。第三也是最后一點(diǎn),，成形和熱處理(如退火)會影響NiTi合金的相變行為,。

（三）可重復(fù)性
限制SMA應(yīng)用的問題之一是通過重復(fù)機(jī)械或熱載荷重復(fù)驅(qū)動(dòng)時(shí)的功能疲勞。不可恢復(fù)應(yīng)變積累的增加決定了SMA的功能,、耐久性和使用壽命,。缺陷的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)變循環(huán)成正比，因?yàn)樵谵D(zhuǎn)變循環(huán)過程中會發(fā)生位錯(cuò),、晶粒細(xì)化和特殊晶界(∑邊界)的形成,。在一篇綜述中，Bowers等提出,，在相變循環(huán)過程中,，除了正常的馬氏體相變途徑外，還激活了另一條途徑,。這種額外的途徑被稱為對稱非相變途徑(SDNPTP),，可能在功能性疲勞中起關(guān)鍵作用。他們還提出了幾種抑制SDNPTP的策略,，以提高SMAs的抗疲勞性,。

Haberland等人對SME的降解進(jìn)行了循環(huán)實(shí)驗(yàn)。在第一個(gè)循環(huán)中,，SLM材料表現(xiàn)出廣泛的遲滯，并具有明顯的平臺,，不可逆應(yīng)變在每個(gè)循環(huán)中不斷累積,，滯回寬度隨之減小。然而,，SLM樣品在第一個(gè)循環(huán)中表現(xiàn)出比傳統(tǒng)NiTi樣品更高的可逆應(yīng)變,。這表明，由SLM形成的材料制成的SMA可能比傳統(tǒng)SMA具有更高的可重復(fù)性,。

（四）可逆性
正如在機(jī)制討論中提到的,，金屬中有一種被稱為TWSME的效應(yīng),。經(jīng)過一定的熱處理后，OWSMAs能夠表現(xiàn)出TWSME,。其中一種方法是熱處理后的熱機(jī)械訓(xùn)練,。Wang等將TWSME引入窄遲滯SMA。之后,，彈簧在冷卻時(shí)能夠收縮,，在加熱時(shí)能夠伸長，彈簧的回收率提高到58%,。另一種在合金中誘導(dǎo)TWSME的方法是電化學(xué)加氫,。然而，在這種情況下,，TWSME在前50個(gè)周期的變化非常小,。

到目前為止，由于4D打印中尚未解決的問題,，如低恢復(fù)應(yīng)變,，蒸發(fā)導(dǎo)致的低Ni含量(因?yàn)榇蠖鄶?shù)金屬增材制造需要高能量)以及表面光潔度差，還沒有制造出可逆的3d打印SMAs,。

三,、形狀記憶聚合物的3D打印
（一）SMPs的機(jī)制
SMPs由網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)和分子開關(guān)組成，它們是物理或化學(xué)交聯(lián)的,。這些交聯(lián)有助于熱轉(zhuǎn)變作為開關(guān)域,。對于熱塑性塑料，相分離形態(tài)的形成是材料SME背后的基本機(jī)制,。一個(gè)相作為分子開關(guān),，另一個(gè)相提供物理交聯(lián)。

對于熱固性物來說,，化學(xué)交聯(lián)的開關(guān)段是網(wǎng)點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)鏈,，聚合物段的熱躍遷作為形狀記憶開關(guān)。與熱塑性塑料相比,，熱固性塑料通常表現(xiàn)出較小的蠕變,，另一方面，在恢復(fù)過程中不可逆變形較少,。此外,，熱固性材料通常比熱塑性塑料具有更好的化學(xué)、熱,、機(jī)械和形狀記憶性能,。

（二）SMPs的3D打印示例
4D打印的第一種類型具有化學(xué)反應(yīng)機(jī)制，特別是水激活機(jī)制。Tibbits與Autodesk, Inc.和Stratasys, Ltd合作,，研究了遇濕膨脹的智能材料的3D打印,。研究人員從一維(1D)鏈開始，它自我組裝成二維(2D)單詞“MIT”,。然后將二維板折疊成三維立方體(圖3),。所使用的材料是一種親水性聚合物，它在水中膨脹,，膨脹率高達(dá)150%,。在這種情況下，研究人員使用剛性材料作為框架,，并對智能材料進(jìn)行編程,，使其充當(dāng)物體的鉸鏈。當(dāng)物體浸入水中時(shí),，只有智能材料部分(鉸鏈)啟動(dòng),。

圖3 二維板折疊成三維立方體

更常見的一種4D打印激活方法是利用高溫，通過熱和應(yīng)力的結(jié)合來觸發(fā)形狀變化,。根據(jù)鉸鏈的設(shè)計(jì),，形狀記憶復(fù)合材料可以以不同的速率和不同的方向彎曲。Ge等人利用3D多材料聚合物打印機(jī)制造了一種可打印的活性復(fù)合材料(PAC),。PAC是一種雙層復(fù)合系統(tǒng),，由SMP纖維組成，由基體覆蓋,。該基體是彈性體,，因此在應(yīng)力釋放后，它返回到無應(yīng)力狀態(tài),。然而,，由于分子的微觀狀態(tài)被凍結(jié)，SMP保留了拉伸結(jié)構(gòu),。當(dāng)PAC再次加熱到Tg以上時(shí),，它就恢復(fù)了原來的形狀，這個(gè)循環(huán)如圖4所示,。

圖4 通過層壓板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),，獲得了PAC層壓板復(fù)雜的低溫形狀

（三）可逆性
如前所述，材料的進(jìn)步是推動(dòng)3D打印進(jìn)步的巨大動(dòng)力,。同樣,，可逆SMPs的最新進(jìn)展推動(dòng)了更多可逆4D打印的研究。SMPs中的可逆性促進(jìn)了所有行業(yè)中更多的功能性使用,，因?yàn)樗鼫p少了不斷重新編程的工作量。這對于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用特別有用，例如,，植入設(shè)備不能手動(dòng)重新編程,，并且需要使用外部條件的可逆性。

大多數(shù)單向SMP復(fù)合材料使用熱量作為恢復(fù)機(jī)制,，經(jīng)過編程以獲得臨時(shí)形狀,。編程步驟通常為手動(dòng)應(yīng)力。為了實(shí)現(xiàn)TWSME,，必須在制造過程中以另一種方式將編程步驟移除或內(nèi)置于SMP復(fù)合材料中,。

液晶彈性體(LCEs)具有潛在的雙向形狀記憶特性，然而,，由于制造成本高,，SME不穩(wěn)定，這些技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用有限,。因此,，為了達(dá)到這種效果，引入了一種含有PU的SMP層壓板,。當(dāng)加熱到60℃時(shí),，層壓板卷曲，當(dāng)它冷卻到室溫時(shí),，它就會展開,。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)周期后，具有良好的可重復(fù)性,。許多其他對聚合物層壓板的后續(xù)研究也顯示了類似的有希望的結(jié)果,。同樣，其他研究也采用了不同的機(jī)制來實(shí)現(xiàn)可逆性SMP,，這些作品表明了可逆4D打印的巨大可能性,。

四、總結(jié)
由于刺激更多,，材料種類更多,，增材制造的發(fā)展速度更快。金屬的4D打印實(shí)現(xiàn)了有限的可逆性,。這是因?yàn)榧词雇ㄟ^傳統(tǒng)的制造,，也需要繁瑣的訓(xùn)練，并且抗疲勞能力差,，導(dǎo)致可逆應(yīng)變的快速損失,。此外，在研究人員能夠繼續(xù)開發(fā)合金的可逆4D打印之前,，即使是OWSMAs也需要克服其他限制和挑戰(zhàn),。面臨的挑戰(zhàn)是恢復(fù)應(yīng)變低,、精加工差和機(jī)械性能差。雖然合金的4D打印在不久的將來發(fā)展可能不會很快,，但合金的4D打印仍然有巨大的前景,，可以用于自動(dòng)化，電子設(shè)備,，生物醫(yī)學(xué)設(shè)備,，甚至日常應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：
Lee A Y , An J , Chua C K .Two-Way 4D Printing: A Review on the Reversibility of 3D-Printed Shape Memory Materials[J].工程（英文）, 2017, 3(5):12.DOI:10.1016/J.ENG.2017.05.014.