4D打印—未來技術的先鋒

李素麗，劉 偉，趙 峰

（陜西國防工業職業技術學院，陜西西安 710300）

4D打印—未來技術的先鋒

李素麗，劉 偉，趙 峰

（陜西國防工業職業技術學院，陜西西安 710300）

4D打印技術是未來技術的先鋒，主要原理是在3D打印技術基礎上，以可變形材料作為驅動執行單元，利用材料的可變形特性，將成型構件的設計參數、成型工藝、變形行為和最終結構目標等信息設計到初始構型中。成型后利用外場激勵介質刺激，通過彎曲、扭曲、膨脹等自我變形獲得預設三維空間構型，是一種集成產品設計、制造、裝配為一體的創新技術，即4D打印方法。本文主要探索4D打印的發展趨勢以及變形機理，驗證理論方法的正確性。

4D打印；可變形材料；微小構件；技術先鋒

1　研究意義

以3D打印技術為典型代表的新型制造技術已成為引領未來制造業變革的重要技術之一，該技術有可能從根本上改變生產組織方式［1］。3D打印，是以CAD（計算機輔助設計）模型直接驅動、可以完成任意復雜結構的制造方法的總稱。它的核心是數字化、智能化制造與材料科學的結合，主要特點是數字驅動的增材制造（Additive Manufacturing AM)。盡管3D打印設備能用塑料、金屬粉末等材料打印出各式各樣的物體，但其軟肋是打印出來的物體仍需要組裝，缺乏柔性和環境適應性。4D打印技術，就是在3D打印的基礎上增加一個“時間”的維度，使被打印物體可以隨著時間的推移而在形態上發生自我調整。從產品設計、制造、裝配的角度重新審視3D打印技術，從設計制造規律及材料驅動變形機理上探索新的4D打印成型理論，為構建自變形、自重塑功能零部件與成型一體化工藝探索基礎原理[2-5]。

4D打印直接將設計內置到物料當中，實現了復雜結構件的降維打印成型，成型后在宏觀尺度上的自我重組裝，簡化了從設計理念到實物的造物過程，實現了產品設計、制造和裝配的一體化融合。4D打印目前尚不成熟，還無法取代傳統制造技術，但它能夠創造出有適應能力的新產品，而且這項技術終將帶來生物科學、材料科學、機器人、交通運輸、藝術甚至太空探索領域的革命性變化，在我國尖端導彈武器以及月球車等軍事、航天領域的發展前景頗為樂觀，在小批量、個性化的生產模式上獨具優勢。目前，成型工藝、材料設計、裝備制造等技術水平都是制約4D打印技術發展的主要障礙[6-10]。

2　國內外研究現狀

所謂的“4D打印技術”，是一種能夠自動變形的材料。把這種可自動變形的材料放入水中，它就能按照產品的設計自動折疊成相應的形狀。這項技術由麻省理工學院的自組裝實驗室開發和明尼蘇達州和以色列合資的一家3D打印機制造商斯特塔西有限公司合作開發。4D打印不但能夠創造出有智慧、有適應能力的新事物，還可以徹底改變傳統的工業打印甚至建筑行業。

Oxman等[1]于2011年最早提出一種變量特性快速原型制造技術，即VPRP（variable property rapid prototyping），利用材料的變形特性和不同材料的屬性，通過逐層鋪粉成型具有連續梯度的功能組件，成型件隨時間推移可實現自我變形，體現了4D打印技術的最初思想。Ge Q等[2]利用活性形狀記憶聚合物纖維的可編程和可變形特性，以彈性非金屬材料為基體，活性形狀記憶聚合物纖維為變形驅動單元，采用多噴頭噴墨打印制作初始構型，成型件在外界應力激勵驅動下發生彎曲、扭曲、膨脹變形，完成立體空心正方體模型的自我組裝，實現了真正意義上的具有自我組裝功能的4D打印。麻省理工學院Tibbits團隊[3-6]基于非線性介質理論對變形材料的特性和變形機理進行研究，以“特殊墨水”作為“智能材料”，采用3D打印技術制作與水接觸時具有自動膨脹功能結構。在4D打印配套軟件開發方面，Autodesk公司開發出可用于自我組裝和可編程的材料模擬軟件[7]。目前，4D打印技術的研究處于起步階段，國內未見報道。

3　微小構件熔滴4D打印成型機理和成型工藝探索

在成型可變形微小構件之初，應對其材料屬性和結構特點進行系統分析。采用形狀記憶合金成型微小構件時除了要求無缺陷和保證具有一定的力學性能外，還須保證形狀記憶合金功能達到所需要求。因此，它比一般結構材料成型難，成型工藝所受限制也更多，這給形狀記憶合金成型技術帶來了很大的難度。由于形狀記憶合金組織和力學性能對溫度變化極為敏感，高溫下對N、O、H的親和力強，在成型過程中很容易吸收這些氣體，在成型界面處形成脆性化合物。同時，在成型過程中為保持形狀記憶效應，應防止馬氏體相變，并設法控制熱影響區大小，防止晶粒長大破壞母材的有序點陣結構而影響其形狀記憶效應[8-12]。

形狀記憶合金制備方法有提拉法、液態金屬冷卻定向凝固法和區域熔化液態金屬冷卻法等。目前，相對成熟的金屬件3D打印技術主要有激光快速成型、電子束快速成型和微束等離子焊快速成型。激光快速成型最重要特點是熱量集中，加熱快冷卻快熱影響區小，進而影響金屬相形成的均勻度。電子束快速成型的優點有能量密度高，熱影響區小，變形小，生產率高等，但成型精度低。

3D成型工藝實現4D打印的2D降維制造。利用4D打印成型方法，采用微噴熔滴電磁約束沉積成型技術實現對血管支架快速制造，通過控制成型過程中供料方式、能量輸入、工藝參數、環境特性以及成型溫度控制等工藝參數，實現對血管支架控型空性制造成型，使其具有良好精度和質量。成型后在電磁激勵下發生彎曲、扭曲、膨脹等自我變形最終達到預設三維空間構型，完成滿足力學性能和和部分醫學性能（如形狀匹配、功能穩定性等）的血管支架的4D打印成型[13]。

4　結束語

4D打印顛覆傳統的造物方式，它創造出智能化物體，是夠神奇的。正如人的生產也隨著生物生命科學的發展也發生巨變，如試管嬰兒、克隆人等，但克隆人技術因為存在倫理約束而作罷。

有機構認為，4D打印不但能夠創造出有智慧、有適應能力的新事物，還可以徹底改變傳統的工業打印甚至建筑行業，家具可由它自己組裝、地下管道由它自己在地下鋪設，房子可以自動建造。而與之前3D打印概念相比，顯然將具備更大的發展前景[14]。

［1］ Oxman N. Variable property rapid prototyping: Inspired by nature, where form is characterized by heterogeneous compositions, the paper presents a novel approach to layered manufacturing entitled variable property rapid prototyping［J］. Virtual and Physical Prototyping, 2011, 6（1）: 3-31.

［2］ Ge Q, Qi H J, Dunn M L. Active materials by four-dimension printing［J］. Applied Physics Letters, 2013, 103（13）: 131901.

［3］ Tibbits S, Cheung K. Programmable materials for architectural assembly and automation［J］. Assembly Automation, 2012, 32（3）: 216-225.

［4］ Tibbits S, Cheung K. Programmable materials for architectural assembly and automation［J］. Assembly Automation, 2012, 32（3）: 216-225.

［5］ Tibbits S. Design to Self-Assembly［J］. Architectural Design, 2012, 82（2）: 68-73.

［6］ Tibbits S. 4D Printing: Multi-Material Shape Change［J］. Architectural Design, 2014, 84（1）: 116-121.

［7］ Reilly M. The future will build itself［J］. New Scientist, 2013, 220（2942）: 28-30.

［8］ 徐祖耀等. 形狀記憶材料［M］. 上海:上海交通大學出版社, 2000: 3-5.

［9］ Liu Y, Gall K, Dunn M L, et a1. Thermomechanics of shape memory polymer nanocomposites［J］. Mechanics of Materials, 2004, （10）: 929-940.

［10］ Lan X, Liu Y, Lv H, et al. Fiber reinforced shape-memory polymer composite and its application in a deployable hinge［J］. Smart Materials and Structures, 2009, 18（2）: 024002.

［11］ Lendlein A, Jiang H, Jünger O, et al. Light-induced shape-memory polymers［J］. Nature, 2005, 434（7035）: 879-882.

［12］ Lu H, Yin J, Leng J, et al. Comment on “Water-driven programmable polyurethane shape memory polymer: Demonstration and mechanism”［Appl. Phys. Lett. 86, 114105 （2005）］［J］. Applied physics letters, 2010, 97（5）: 056101-056101-2.

［13］ 冷勁松, 蘭鑫, 劉彥菊, 等. 形狀記憶聚合物復合材料及其在空間可展開結構中的應用［J］. 宇航學報, 2010, 31（4）: 950-956.

［14］ Krishnamoorti R, Vaia R A. Polymer nanocomposites［J］. Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics, 2007, 45（24）: 3252-3256.

［15］ Leng J, Lan X, Liu Y, et al. Shape-memory polymers and their composites: stimulus methods and applications［J］. Progress in Materials Science, 2011, 56（7）: 1077-1135.

［16］ Manjaiah M, Narendranath S, Basavarajappa S. Review on nonconventional machining of shape memory alloys［J］. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2014, 24（1）: 12-21.

［17］ 劉偉.3D打印熔滴沉積與傳統制造相結合技術發展前景［J］.中國鑄造裝備與技術,2014（3）.

大噸位、外熱風、水冷長爐齡沖天爐等鑄造行業重大技術裝備納入國家《首臺（套）重大技術裝備推廣應用指導目錄（2015年第二版）》

為推動重大技術裝備創新應用，今年2月，財政部、工業和信息化部、中國保監會聯合印發《關于開展首臺（套）重大技術裝備保險補償機制試點工作的通知》，開展首臺（套）重大技術裝備保險補償機制試點工作。工信部負責制定《首臺（套）重大技術裝備推廣應用指導目錄》（以下簡稱《目錄》），凡生產《目錄》所列裝備產品的制造企業均可自主投保首臺（套）重大技術裝備綜合險。此保險補償機制堅持“政府引導、市場化運作”原則，由保險公司針對重大技術裝備特殊風險提供定制化首臺（套）重大技術裝備綜合險，生產《目錄》所列裝備產品的制造企業可自主投保，中央財政對符合條件的投保企業保費適當補貼（補貼為總保費80%），保險公司承保產品質量風險和責任風險， 裝備制造企業投保，裝備使用方收益，利用財政資金杠桿，發揮保險風險保障功能，降低用戶風險，加快首臺（套）重大技術裝備推廣應用。

首臺（套）重大技術裝備是指經過創新，其品種、規格或技術參數等有重大突破，具有知識產權但尚未取得市場業績的首臺（套）或首批次的裝備、系統和核心部件。工信部原《目錄》較少涉及鑄造行業重大技術裝備，2015年工信部啟動了《目錄》修訂工作，接到通知后中鑄協積極組織相關企業和專家對鑄造行業大噸位、外熱風、水冷長爐齡沖天爐等重大技術裝進行推薦。2015年10月29日，工信部正式發布了《首臺（套）重大技術裝備推廣應用指導目錄（2015年第二版）》，鑄鐵件生產用大噸位、外熱風、水冷長爐齡沖天爐成套設備，高效智能壓鑄島、清潔高效發電裝備大型鑄件等鑄造行業重大技術裝備新增列到《目錄》中，必將提升鑄造行業技術改造和創新的積極性，加快推進鑄造行業首臺（套）重大技術裝備研究與應用。（中國鑄造協會網）

4D printing- the future technology pioneer

LI SuLi, LIU Wei , ZHAO Feng
(Shaanxi institute of technology，Xi'an 710300, Shaanxi , China)

4D printing is a pioneer of the future technology, the main principle is based on 3D printing, deformable material as drive execution units, use of material deformation characteristics, design parameters and molding process of molding components, deformation behavior and the structure of target information such as the final design to the initial configuration. Using field stimulated medium after forming, bending, twist, swell deformation was a default configuration, three-dimensional space is a kind of integrated product design, manufacturing and assembly for the integration of technology innovation, namely 4D printing method. In this paper， we explore the 4D printing design and manufacture of rule and deformation feld coupling drive mechanism，and the tiny metal droplet electromagnetic constraint component forming mechanism and forming process, using 4D printing principle to realize its manufacturing forming, validating theory method.

4D Print；Deformable Materials；Minor Components；Stents

TG249；

A；

1006-9658（2015）06-0004-03

10.3969/j.issn.1006-9658.2015.06.002

院級課題“4D 打印成型創新技術探索（Gfy15-09）”

2015-06-10

稿件編號:1506-968

李素麗（1981—）女,講師，主要研究機械模具設計及3D打印技術.