增材制造：從3D到4D

供稿|余冬梅，張建斌 / YU Dong-mei, ZHANG Jian-bin

內(nèi)容導讀

科學家們受到來自植物的形狀變形系統(tǒng)(如含羞草和豬籠草)啟迪，研發(fā)出了仿生4D打印技術(shù)，利用功能材料的熱敏效應(溫度變化)、化學效應(包括水、pH值等)和光敏效應(沒有溫度變化)，拓展了3D打印在智能紡織品、自動機器人、生物醫(yī)學器械、藥物輸送和組織工程領(lǐng)域的應用。文章詳細介紹了4D打印的材質(zhì)包括金屬、陶瓷、聚合物和復合材料；4D打印產(chǎn)品的應用包括航空航天(太空盔甲)、工業(yè)產(chǎn)品(電子設(shè)備和減震器)、日常生活(運動服)等。指出4D打印是在3D打印的基礎(chǔ)上催生出的一種革命性的新技術(shù)，4D打印不僅僅是比3D多一個維度，更是賦予了產(chǎn)品靈性。4D打印與智能材料的完美融合將會創(chuàng)造出具有自組裝或自變形功能的智能產(chǎn)品。

3D打印歷經(jīng)數(shù)載發(fā)展從研發(fā)走向應用之際[1-2]，4D打印又成為科技熱點。4D打印是在3D打印的3個維度(長、寬和高)的基礎(chǔ)上增加了第4個維度——時間。4D打印是在3D打印的基礎(chǔ)上催生出的一種革命性的新技術(shù)，4D打印不僅僅比3D多一個維度，更是賦予了產(chǎn)品靈性，誠如“欲窮千里目，更上一層樓”。

通常，3D打印技術(shù)偏重于打印結(jié)構(gòu)材料[3]，而4D打印技術(shù)則可以打印出具有功能性或尺寸形狀等隨外界變化的構(gòu)件。2013年美國TED(TED代表技術(shù)、娛樂和設(shè)計)大會上，麻省理工學院(MIT)計算機系科學家兼自組裝實驗室聯(lián)合主任斯凱拉·蒂比茨(Skylar Tibbits)提出4D打印的概念，圖1展示了4D打印多材質(zhì)制成的繩子，適應周圍環(huán)境(以水為例)并自組裝成“MIT”字樣結(jié)構(gòu)[4]。

圖1 4D打印多材質(zhì)的繩子放到水中后變成了“MIT”字樣[4]

可見，智能材料在特定外界因素(如溫度、濕度、光、熱、電、磁和振動等)的刺激下，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)能隨時間的變化進行自發(fā)變形，從而實現(xiàn)自組裝或自重塑[5]。3D打印是預先設(shè)定好模型再打印出產(chǎn)品，而4D打印是將產(chǎn)品設(shè)計通過3D打印嵌入可以變形的智能材料中。4D打印通過在2維平面中引入非均勻性質(zhì)，從而產(chǎn)生內(nèi)應力，外界的刺激使得內(nèi)應力釋放，實現(xiàn)從2維到3維的直接成形(增加了隨時間變化的第4維度)[6]。形狀記憶材料作為一種智能材料，在外界刺激(如溫度等)下能夠改變其形狀或性能，其中對金屬和聚合物研究較為成熟。根據(jù)形狀記憶效應分為單向記憶效應和雙向記憶效應；根據(jù)形狀記憶機制分為熱塑型和熱固型。鎳鈦(Ni-Ti)形狀記憶合金以優(yōu)異的功能特性和極好的形狀記憶行為最為常用的4D打印金屬材料。

自然界是眾多設(shè)計師的靈感源泉，從而衍生出了仿生學。科學家們受到來自植物的形狀變形(如含羞草和豬籠草)系統(tǒng)啟迪，研發(fā)出了仿生4D打印技術(shù)，拓展了3D打印在智能紡織品、自動機器人、生物醫(yī)學器械、藥物輸送和組織工程領(lǐng)域的應用[7]。

4D打印的維度

4D打印融合了3D打印和時間維度，特別適用于打印智能材料，也拓展了3D打印領(lǐng)域。智能材料最常見的三種刺激是：熱敏效應(溫度變化)、化學效應(包括水、pH值等)和光敏效應(沒有溫度變化)[8]。

熱敏效應

折紙是一種傳統(tǒng)藝術(shù)，它是將一張平面紙折疊成復雜的三維形狀?；钚哉奂埵且环N自折疊或自展開的折紙方式，減少了折疊自動化裝置的投資。通過引入自組裝折紙的概念，4D打印活性復合材料(PAC)組成鉸鏈連接的平面聚合物板，如圖2。聚合物板采用熱敏感智能材料，通過冷卻或加熱可調(diào)節(jié)平面聚合物板的自折疊或自展開功能。通過編程鉸鏈可以打印組裝成所需的3D結(jié)構(gòu)。

圖2 自折疊平板[9]

化學效應

2013年，麻省理工學院自組裝實驗室負責人斯凱拉·蒂比茨(Skylar Tibbits)在TED演講上展示了其團隊與Stratasys、Autodesk公司合作研發(fā)出一條由親水性聚合物構(gòu)成的線狀打印體。這兩種打印材料具有不同孔隙率和吸水性，通過計算機輔助設(shè)計加入復雜的算法，使得線狀物體遇水能夠向指定方向形變，如圖1所示。

圖3所示為仿生4D打印的蘭花和馬蹄蓮花[10]。植物水動力學誘發(fā)的變形是由于細胞壁內(nèi)部定向性纖維素和原纖維的膨脹系數(shù)的不同導致的。一種可以嵌入定向性納米纖維素的水凝膠“墨水”通過丙烯酰胺單體光聚合及納米黏土的物理交聯(lián)可以快速形成模擬細胞壁結(jié)構(gòu)的復合水凝膠基質(zhì)。受花瓣展開-閉合的啟發(fā)，4D打印的蘭花類似于雙層條帶，由于打印過程頂部-底部對稱性破壞以及厚度上的差異膨脹產(chǎn)生扭曲的形狀。纖維間距促進了水通過細絲快速吸收，導致形狀轉(zhuǎn)變在幾分鐘內(nèi)發(fā)生，與擴散限制動力學一致。在浸水膨脹過程中，蘭花的形貌可以隨時間推移展現(xiàn)出動態(tài)的表面曲率變化，“花瓣”可以圍繞中央漏斗狀花冠進行彎曲、扭轉(zhuǎn)和皺裂。

光敏效應

受太陽花向光性的啟發(fā)，通過結(jié)合商用熔融沉積成型(FDM)打印機和智能材料炭黑聚氨酯(PUCB)制造了光敏形狀記憶太陽花[11]，如圖4。太陽花的花瓣是用黑色的光敏形狀記憶材料PUCB打印的，而太陽花的雄蕊、花梗和花頸由聚乳酸(PLA)打印而成。當接受光照時，花瓣中的炭黑吸收光線產(chǎn)生的熱量而使溫度升高到Tg(30℃)以上，太陽花花瓣從剛性轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥院腿嵝?，從而使得花瓣展開。當太陽能的溫度低于Tg時，花瓣恢復至初始的閉合狀態(tài)。

4D打印的應用實例

4D打印的材質(zhì)包括金屬、陶瓷、聚合物和復合材料，應用領(lǐng)域從航空航天(太空盔甲)、工業(yè)產(chǎn)品(電子設(shè)備和減震器)到日常生活(運動服)。

圖3 仿生4D打印的蘭花和馬蹄蓮花[10]

圖4 4D 打印的光敏形狀記憶太陽花[11]

4D打印金屬

在太空飛行過程中，航天器的載重量尤為關(guān)鍵，僅僅是飛出大氣層就需要多級火箭的逐級助力，而最后被送入太空的有效載荷可能連火箭總重量的十分之一都沒有，這也就導致了發(fā)射報價居高不下，1 kg貨物的發(fā)射價格普遍都會超過1萬美元。

為了節(jié)約成本，工程師們就盡可能地將有效載荷的重量降至最低。美國國家航空航天局(NASA)噴氣推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory)發(fā)明了一種三合一功能的可折疊金屬編織材料，這種材料將進一步提升太空運輸?shù)男省D5是4D打印的太空盔甲[12]，由相互嵌合的不銹鋼方塊制成，類似于鎖子甲的織物又不同于舊時的盔甲。通過3D打印將不銹鋼擠壓成連續(xù)的織狀物，其正反兩面不同的金屬織物具有不同特性。正面是一列列平整的方塊，有著金屬光澤以反射熱和光。背面是一系列互相嵌合的圓環(huán)，幫助織物吸收熱量。兩面結(jié)合在一起使得該材料像一個超強的盾牌，足以保護宇航員和航天器免受太空垃圾的致命傷害。

圖5 4D打印的太空盔甲[12]

4D打印不僅可以逐層添加材料，還可以在打印的過程中將應有的功能材料添加進去，而由該技術(shù)制成的材料往往具有自動變形和自動組合的特點。太空金屬織物的可折疊性使其成為了太空中不可或缺的一種材料，航天員完全可以在太空中自行打印，并用它來進行零部件的替換，可用于例如木衛(wèi)二的探測過程中航天員和飛船的保護。

4D打印陶瓷

以電子設(shè)備行業(yè)為例，因為陶瓷材料在電磁信號傳輸上的優(yōu)異性能，5G時代的到來將會對陶瓷產(chǎn)品的發(fā)展提出更高的要求。另外，相較于金屬，陶瓷材料顏值高、質(zhì)感佳、密度低，而且還有不易變形、耐磨防刮、耐化學腐蝕等優(yōu)點。但是，陶瓷材料熔點極高，較難加工成型，因此目前陶瓷產(chǎn)品的應用在技術(shù)和成本上受到了極大限制。

圖6是4D打印的陶瓷手機背板，左邊是平面板結(jié)構(gòu)，右邊是曲面板結(jié)構(gòu)，上面是平面板結(jié)構(gòu)的另一個表面。相對于傳統(tǒng)的陶瓷成型工藝(譬如注塑成型等)，4D打印技術(shù)較易實現(xiàn)個性化定制，尤其是在制造類似曲面板這樣的陶瓷結(jié)構(gòu)上，可以實現(xiàn)超復雜精細結(jié)構(gòu)，且成本低、強度高，有望應用在包括陶瓷手機背板和中框、陶瓷手表的表殼、表圈、表鏈等3C(Computer、Communication & Consumer Electronic)產(chǎn)業(yè)中。

圖6 4D打印的陶瓷手機背板 [13]

圖7是4D打印的陶瓷耐熱結(jié)構(gòu)[13]。作為陶瓷前驅(qū)體的彈性體具有強變形能力，可以提高結(jié)構(gòu)材料適應復雜應用環(huán)境的能力，譬如太空探索。3D打印的前驅(qū)體可以在地面上折疊起來以節(jié)省空間，然后到太空后展開為需要的結(jié)構(gòu)。前驅(qū)體轉(zhuǎn)化為陶瓷后，這些4D打印的陶瓷結(jié)構(gòu)可以被用來做耐熱結(jié)構(gòu)。

圖7 4D打印的陶瓷耐熱結(jié)構(gòu)[13]

4D打印聚合物

圖8是根據(jù)人體在運動過程中會排汗的現(xiàn)象而設(shè)計的4D打印運動服。運動服用料為一種薄膜夾層結(jié)構(gòu)，其中單層涂覆有惰性材料。這種薄膜結(jié)構(gòu)允許其僅對薄膜上的局部濕度梯度做出響應，同時確保薄膜的平整度，在相同環(huán)境下兩側(cè)具有平衡的收縮力。這種具有夾層結(jié)構(gòu)的生物復合膜是一種對身體汗液有反應的結(jié)實織物——透氣生物襟翼，可以通過改變中間支撐層的厚度和彈性來調(diào)節(jié)和模擬彎曲度。因而，具有透氣生物襟翼的運動服可以根據(jù)運動時汗液產(chǎn)生的濕度而可逆地改變其形狀，從而調(diào)節(jié)暴露皮膚的面積。在身體的高熱區(qū)，使用具有大單位尺寸的通風皮瓣來增強空氣對流以快速蒸發(fā)汗液，而在多汗區(qū)，增大開口率以確?？椢锏耐笟庑浴＿@種設(shè)計結(jié)合織物對水分梯度的動態(tài)響應，可以巧妙地反映和響應身體的狀況，以增強身體核心溫度控制。與具有相同幾何形狀的非功能性襟翼相比，具有功能性襟翼的衣服可以有效地去除身體上的汗液并降低身體和織物之間的氣溫。

圖8 4D打印運動服[15]

4D打印復合材料

達特茅斯學院的研究人員開發(fā)出了一種可4D打印的智能墨水，其形狀和顏色是可以改變的。與其他4D打印創(chuàng)新團隊不同，Concordia大學機械、工業(yè)和航空航天工程系教授Suong Van Hoa研究出4D打印技術(shù)制造復合材料的技術(shù)。4D打印的復核材料可以自行彎曲，而無需使用模具。這種可以彎曲的復合材料具有高機械性能的長連續(xù)纖維。制造復合板簧，如車輛中的輕質(zhì)減震器(見圖9)通常需要的步驟：首先，用金屬等固體材料制成S形模具；然后，將預浸有樹脂體系的增強織物放置在模具上以形成復合件。采用4D打印技術(shù)可以省略構(gòu)建復雜模具的步驟。各向異性是材料沿不同軸線承受載荷時表現(xiàn)出來的性質(zhì)。例如，樹脂收縮會導致材料變形，或者溫度變化會導致纖維膨脹或收縮，這種調(diào)控機制是制作彎曲模具的彎曲層壓板的關(guān)鍵。具有這種特性的材料可以用來制造具有彎曲幾何形狀的零件，而不需要復雜的模具。

圖9中4D打印的復合材料利用了基體樹脂的收縮率以及不同纖維取向?qū)拥臒崾湛s系數(shù)的差異，從而在固化和冷卻時激活而發(fā)生形狀變化。形狀變化的程度取決于材料特性、纖維取向、疊層順序和制造工藝。

圖9 4D打印汽車減震器[16]

結(jié)束語

4D打印與智能材料的完美融合將會創(chuàng)造出具有自組裝或自變形功能的智能產(chǎn)品。4D打印將驅(qū)動節(jié)約型軍事生產(chǎn)。不論是潛艇、空間站、宇宙飛船等大型武器裝備的制造組裝，還是智能防護服、特種槍支等高端小型武器裝備的設(shè)計生產(chǎn)都可以使用4D打印技術(shù)。4D打印簡化了工業(yè)制造，例如戰(zhàn)斗機部分零部件、航空母艦上的武器和配套裝置、航空飛行器、人造衛(wèi)星、空間站以及宇宙飛船上的儀器裝備[4，16-17]。在航空發(fā)動機上，4D打印的智能材料能夠用于高壓渦輪可變間隙傳感器、壓氣機葉尖間隙智能密封和主動間隙控制系統(tǒng)中的位移執(zhí)行機構(gòu)[2]。