史玉升教授：4D打印智能構(gòu)件的增材制造技術(shù)及應用領(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,、機械,、力學,、信息等學科高度交叉融合基礎(chǔ)上產(chǎn)生的顛覆性制造技術(shù),。華中科技大學史玉升教授團隊在該領(lǐng)域已經(jīng)進行了大量研究,，當屬國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究先驅(qū),，本文將展示他們在4D打印概念、研究進展及應用領(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打印在三維坐標軸基礎(chǔ)上增加了“時空軸”，也應當歸入增材制造技術(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(jié)構(gòu)”,？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(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大會上提出,，他將一個軟質(zhì)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(shù)的開端,，隨后掀起了研究4D打印的熱潮。4D打印在提出的時候被定義為“3D打印+時間”,，即3D打印的構(gòu)件,，隨著時間的推移,，在外界環(huán)境的刺激(如熱能、磁場,、電場,、濕度和pH值等)下，能夠自驅(qū)動地發(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,，并且認為4D打印是智能材料的3D打印,，關(guān)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(nèi)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(nèi)的有關(guān)專家,，在中國武漢召開了第一屆4D打印技術(shù)學術(shù)研討會,，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定的刺激下,，隨時間發(fā)生變化。推動了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(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)大會進行討論和交流,，通過持續(xù)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(jié)構(gòu)，即在構(gòu)件的特定位置預置應力或者其它信號；4D打印構(gòu)件的形狀,、性能和功能不僅是隨著時間維度發(fā)生變化,，應當還能隨空間維度發(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誘導下,，4D打印構(gòu)件的形狀、性能和功能能夠隨時空變化而自主調(diào)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(xiàn)了其中一個,，便認為是實現(xiàn)了4D打印,。今后，隨著4D打印研究的持續(xù)深入,，其內(nèi)涵也必將進一步得到升華,。

4D打印技術(shù)的應用前景
4D打印技術(shù)是在材料、機械,、力學,、信息等學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)具備廣闊的應用前景，必將推動高端制造領(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)復雜,、設(shè)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(qū)動器,、新型熱防護技術(shù),、航天功能變形件等智能構(gòu)件的設(shè)計制造中將展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢。下面以航空領(lǐng)域的智能變體飛機和航天領(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)域的典型應用,。

美國國家航空航天局提出的智能變體飛機的概念設(shè)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(shè)計構(gòu)想,。該智能變形飛機的外形可隨外界環(huán)境而產(chǎn)生自適應變化，能保持整個過程中性能最優(yōu),，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(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(yōu)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(lǐng)域典型的,、極具前景的應用。

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用,。當衛(wèi)星在地面尚未發(fā)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(wèi)星發(fā)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(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。

2.汽車領(lǐng)域
在汽車領(lǐng)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(fā)生事故后實現(xiàn)“自我修復”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)氣流改進其空氣動力學結(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,，當發(fā)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(tài)，則活門關(guān)閉,；當發(fā)動機溫度升高至響應溫度以上時,，彈簧則為伸長狀態(tài)，從而活門打開,，冷空氣可以進入發(fā)動機室內(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(tài),，當植入到指定位置時再撐開以實現(xiàn)擴充血管的功能,。支架一般是多孔結(jié)構(gòu)，這些特點使得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,，從臨時形狀到永久形狀(功能實現(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,，撐開以實現(xiàn)骨骼的固定。

4D打印技術(shù)在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應用

4. 軟體機器人領(lǐng)域

軟體機器人也是4D打印技術(shù)的典型應用之一,。軟體機器人廣泛采用仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù),，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(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打印軟體機器人不需要復雜的驅(qū)動機構(gòu),，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(qū)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(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(xiàn)一個抓取的動作,，實現(xiàn)了軟體機器人的雛形,。


結(jié)論與展望
4D打印在3D打印的基礎(chǔ)上引入了時間和空間的維度，通過對材料和結(jié)構(gòu)的主動設(shè)計,，使構(gòu)件的形狀,、性能和功能在時間和空間維度上能實現(xiàn)可控變化，滿足變形,、變性和變功能的應用需求,。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)療和軟體機器人等領(lǐng)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(jié)構(gòu)的進一步發(fā)展提供新的契機。