4D打印技術的研究進展

趙蒙，王永信，梁晉

1.西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室 陜西西安 710049

2.西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室 陜西西安 710054

1 序言

2013 年，麻省理工學院的Tibbits在TED會議上首次提出4D打印技術的概念[1，2]。該技術是基于傳統3D打印工藝的智能材料和智能結構的增材制造技術，智能材料的3D打印成形件可隨著時間和外界刺激進行形狀、性能和功能變化，3D打印成形件增加一個時間維度而形成4D結構[3，4]。實現4D打印需進行智能結構、外界驅動機制和智能材料增材制造工藝三者的有效配合，4D打印技術使復雜智能結構的快速制造成為可能，可應用于生物醫療、航空航天、智能機器人、精密光學器件和智能結構等領域[5]。

4D打印技術尚處于研究初期階段，所涉及的研究內容主要關于智能材料增材制造工藝和性能、4D智能結構設計和智能結構驅動機制三個方面[6-8]。近年來，針對智能材料增材制造的研究呈現持續增長的趨勢[8]。本文通過總結現階段4D打印中智能材料、增材制造工藝和應用領域研究進展，提出了該領域存在的問題和未來發展機遇。

2 4 D打印技術的智能材料

智能材料及其增材制造工藝是4D打印技術應用的核心[9，10]，可用于4D打印的智能材料可感知外界的力、熱、光、電、聲和水等物理因素[11，12]，主要為形狀記憶合金、形狀記憶聚合物、形狀記憶陶瓷、形狀記憶水凝膠、形狀記憶復合材料、壓電材料、磁致伸縮材料、電致活性聚合物和光驅動型聚合物等[13]。在4D打印中應用最廣泛的智能材料為形狀記憶材料（見圖1），包括形狀記憶合金、形狀記憶聚合物及其復合材料，可實現外界激勵的快速響應和形狀變形，滿足智能結構對響應速度和效率的要求。

圖1 4D打印技術中的形狀記憶材料[13]

2.1 形狀記憶合金

形狀記憶合金通過溫度誘導的正逆馬氏體相變進行形狀改變，兼具金屬結構體的高強度和智能材料的激勵響應，主要為NiTi、Fe基、Cu基和Ni-Mn-Ga形狀記憶合金[14-17，19]，其增材制造方式主要為選區激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）和激光熔覆沉積技術（Laser Engineered Net Shaping，LENS）的金屬增材制造工藝[18]，4D打印形狀記憶合金可應用于航空航天、生物醫療、土木工程和電氣自動化領域，圖2為4D打印的Ni-Mn-Ga形狀記憶合金成形件。增材制造工藝過程涉及多次循環往復熱循環，導致馬氏體相變組織、相變溫度和相變循環穩定性的不確定性和不易控制性，因此需深入進行快速凝固條件下的形狀記憶合金凝固機理和組織性能研究，以得到可實現穩定智能控制的4D打印結構。形狀記憶合金的記憶原理為通過在合金奧氏體溫度以上進行金屬3D打印并直接得到初始形狀，在成形件工作服役過程中因受到外力而產生變形，材料內部則發生應力誘發馬氏體相變，通過將變形后的成形件加熱至奧氏體溫度以上，變形后的成形件恢復至初始打印形狀。

圖2 4D打印的Ni-Mn-Ga形狀記憶合金成形件[19]

2.2 形狀記憶聚合物及其復合材料

形狀記憶聚合物其復合材料是能感知外部刺激驅動而變形的高分子智能材料，具有質輕、易加工、可恢復應變大、可生物降解性、生物毒性低和價格低廉等特點[20-22]，4D打印形狀記憶聚合物及其復合材料的增材制造技術[23-27]主要為：直接成形技術（Direct Ink Writing，DIW）、噴墨打印（Inkjet Printing）、選擇性激光燒結（Selected Laser Sintering，SLS）、數字光處理技術（Digital Light Processing，DLP）、立體光固化成形技術（Stereo Lithography Appearance，SLA）、熔融沉積成形技術（Fused Deposition Modeling，FDM），4D打印形狀記憶聚合物已應用于航空航天、組織工程、紡織材料、生物醫療及藥物輸送載體等多個領域[23，26]，圖3為4D打印制備的形狀記憶聚合物機械手抓取物體的過程[28]。

圖3 4D打印制備的形狀記憶聚合物機械手抓取物體的過程[28]

形狀記憶聚合物的4D打印技術因素分類如圖4所示。形狀記憶聚合物的記憶原理為將形狀記憶聚合物加熱至玻璃化轉變溫度以上，并施加應力進行初始形狀的編程，然后保持外力降低溫度至玻璃化轉變溫度以下后卸載外力而變形，在再次加熱至玻璃化轉變溫度以上后恢復至編程后的初始形狀[23]。

圖4 形狀記憶聚合物的4D打印技術因素分類[29]

3 4 D打印智能結構的形狀變形機制

4D打印技術的智能材料具有豐富的外界驅動方式和驅動機制，包括熱驅動、光驅動、電驅動、水驅動和磁驅動。下面主要針對常用的熱驅動、光驅動和磁驅動進行介紹。

3.1 熱驅動

熱驅動方式主要應用于形狀記憶合金和熱敏型形狀記憶聚合物，其形狀記憶效應分別來源于分子鏈組成單元的玻璃化轉變或熔融轉變和馬氏體正逆相變[23]，其驅動過程如圖5所示。通過外界熱條件對4D打印結構進行溫度驅動，結構形狀發生動態演變，可屈曲變形的二維蜂窩結構在熱驅動作用下而形成一個三維球形結構，如圖6所示。

圖5 熱驅動過程[30]

圖6 4D打印二維結構在光驅動作用下的變形過程[31]

3.2 光驅動

光驅動方式主要應用于光敏型形狀記憶聚合物，聚合物通過吸收光波能量并轉化為熱量，熱量集聚引起溫度升高和形狀記憶效應，外部光能觸發3D打印結構從變形后的形狀恢復至原始形狀[23，32]。光驅動的特點是具有區域性和靈活性，可有選擇性地對成形件進行區域性的照射而產生局部驅動。光驅動形狀記憶聚合物可應用于軟體機器人、仿生機器人和微機電控制系統中，基于形狀記憶材料變形機制的自折疊機構主要利用二維記憶材料的自動展開和折疊動作而形成三維空間結構，通過外界光驅動實現二維平面→三維空間的自動轉換，如圖7所示。

圖7 4D打印自折疊機構[32]

3.3 磁驅動

磁驅動方式主要應用于磁性形狀記憶合金和形狀記憶聚合物，通過在聚合物中區域性地添加磁性顆粒而實現精確變形控制，磁場進行驅動控制具有非接觸性和可遠程操作的優勢[23，33]，通過調整外部磁場的變化而進行4D打印結構的變化。相比于熱驅動和光驅動方式，磁場驅動方式可實現4D打印結構的快速響應，該方式在生物醫療應用中具有很大優勢，通過在體外進行磁場非接觸式控制而實現快速精確驅動，圖8為4D打印磁性形狀記憶聚合物在磁場作用下的變形過程。

4 4 D打印技術的應用領域

4D打印技術的出現為產品的設計和制造帶來了新的理念，使智能結構的近凈成形制造成為可能，可實現在外界驅動作用下的可編程變形，制造出同時具有功能性和復雜結構性的4D結構件，在生物醫療、航空航天和智能結構領域具有巨大的應用前景。在生物醫療領域的應用主要利用4D打印結構件的可折疊和可壓縮性，在血管支架、氣管支架、組織工程裝置和藥物載體等方面具有潛在應用價值[21-23]。圖9為4D打印形狀記憶聚合物血管支架，利用4D打印在血管設計制造中的效率和成本優勢，顯著降低血管再狹窄率和支架內血栓發生率，提高分叉血管支架介入手術成功率，可實現血管支架的復雜形狀-快速制造-自膨脹功能的一體化設計。在航空航天領域的應用主要利用4D打印結構件的可折疊和可變功能性，在可變形機翼、空間展開機構和可折疊武器裝備方面可滿足極端服役環境要求[21-23，34]。智能結構領域的應用主要利用4D打印結構件在外界驅動作用下的快速響應而進行有效動作控制，可用于制造驅動器、感應器、醫療器械和機器人。圖10為4D打印形狀記憶聚合物驅動器，可在外界電信號的作用下通過變形而進行信號控制。

圖9 4D打印血管支架[28]

圖10 4D打印形狀記憶聚合物驅動器[35]

5 結束語

4D打印技術在生物醫療、航空航天和智能器件方面具有巨大的應用前景，同時在其他領域也具有潛在應用價值。該技術是處于初期實驗室研究探索的新興技術，距離實際工業應用還有較大距離。目前，4D打印結構件具有服役疲勞壽命短、驅動穩定性差和驅動精度差的缺點，研究者在保證4D打印材料的增材制造工藝穩定性和4D打印結構件的服役穩定性方面仍需進行大量研究，結合數字化設計和制造理念進行4D打印結構-功能-驅動機制-服役穩定性的一體化設計，使其在工業領域得到快速和穩定應用。