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導(dǎo)讀

 

目前，3D打印技術(shù)方興未艾，在模具制造，產(chǎn)品設(shè)計(jì)，生物醫(yī)療等諸多領(lǐng)域產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。如果說3D打印是“聚沙成塔”，將離散的材料借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)連接成具有特定形狀和功能的整體；那么，通過引入具有特定性質(zhì)的材料進(jìn)行增材制造，則有可能為具有精巧結(jié)構(gòu)的部件賦予隨時(shí)間變形的能力，使它們變得“能屈能伸”，這就是以時(shí)間為第四維度的4D打印技術(shù)。本文將從發(fā)展背景和基本原理方面對(duì)4D打印的概念和分類做簡(jiǎn)單介紹，并對(duì)其應(yīng)用前景做簡(jiǎn)單討論。

 

# PART 01 什么是4D打??？

 

下圖中這朵搖曳的“花”并不是動(dòng)畫特效，而是由哈佛大學(xué)研究者通過神奇的4D打印技術(shù)用水凝膠材料所打印出的真實(shí)模型。[1]經(jīng)過預(yù)先的結(jié)構(gòu)變形程序設(shè)計(jì)，這朵“花”的花瓣便能夠隨著環(huán)境變化自如收放。其實(shí)，4D打印技術(shù)并不神秘，它本質(zhì)上就是我們大家所熟悉的3D打印技術(shù)，加上特定的材料與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；而之所以被稱作“4D打印”，正是因?yàn)檫@樣直接制造出的三維結(jié)構(gòu)在成型結(jié)束后，依然能夠在環(huán)境作用下隨時(shí)間發(fā)生可設(shè)計(jì)的形狀改變——時(shí)間，就是“4D打印”的第四個(gè)維度。

 

 

圖1 4D打印模型

圖源：https://3dprintingindustry.com/news/65379-65379/

 

2013年，美國學(xué)者Skylark Tibbits在一場(chǎng)名為The emergence of “4D printing”的TED演講中首次提出了4D打印的概念：復(fù)雜的3D打印結(jié)構(gòu)能隨著時(shí)間的推移改變自己的構(gòu)型。第一篇3D打印論文于2013年發(fā)表在《Applied Physical Letters》，文中報(bào)道了溫度控制結(jié)構(gòu)的變形的3D打印結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是用具有形狀記憶功能的PAC（聚合氯化鋁）采用SLA技術(shù)制備的[2]。近年來，有關(guān)4D打印的研究一直吸引著智能材料及增材制造領(lǐng)域的密切關(guān)注，并得到了飛速的發(fā)展，而其概念也隨著研究的深入而不斷充實(shí)。一般意義上，4D打印可以簡(jiǎn)單理解為“3D+時(shí)間”；廣義上，除了形狀變化外，3D打印的復(fù)雜形狀響應(yīng)外界刺激從而產(chǎn)生性能、功能變化都可以被稱為4D打印，外界刺激作用場(chǎng)則主要包括熱、磁、光、濕度、pH等等。4D打印技術(shù)的核心在于可編程、可設(shè)計(jì)的，特定條件下可隨時(shí)間變化的結(jié)構(gòu)，而它的實(shí)現(xiàn)離不開兩個(gè)重要基礎(chǔ)：成熟的增材制造技術(shù)（即我們熟悉的3D打?。?，和符合4D打印功能要求的智能材料（往往是具有形狀記憶效應(yīng)的材料）。

 

增材制造技術(shù)（以下簡(jiǎn)稱3D打印）對(duì)于我們而言已并不陌生，它通過逐點(diǎn)逐線掃描、層層疊加的制造邏輯將離散的原材料連接成為三維整體，結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠直接制造出各種復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，并能夠最大化地節(jié)省原料、減少后續(xù)加工。從成型原理角度分類，目前常用的3D打印技術(shù)主要包括主要用于聚合物材料的光固化成型（Stereolithography, SLA）、熔融沉積成型（Fuse Deposition Modelling, FDM）、墨水直寫成型（Direct Ink Writing, DIW）等，以及常用于金屬材料的選區(qū)激光熔化/燒結(jié)成型（Selective Laser Melting/Sintering, SLM/SLS）等等。歷經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展，它如今已經(jīng)能夠成熟地實(shí)現(xiàn)金屬、聚合物和陶瓷的復(fù)雜精細(xì)結(jié)構(gòu)的成型制造，并在航空航天、生物醫(yī)療、機(jī)械電子、工業(yè)設(shè)計(jì)、文化教育等諸多領(lǐng)域都得到了應(yīng)用。[3]然而，隨著應(yīng)用領(lǐng)域需求的不斷拓展，傳統(tǒng)3D打印所制造出的靜態(tài)結(jié)構(gòu)或部件的功能可設(shè)計(jì)性也呈現(xiàn)出了一定的有限性。舉例而言，從微觀到宏觀尺度的自折疊結(jié)構(gòu)智能器件，在生物醫(yī)藥、航空航天等領(lǐng)域被認(rèn)為具有良好的應(yīng)用前景，卻難以通過傳統(tǒng)材料3D打印來實(shí)現(xiàn)。自然而然地，科學(xué)家們聯(lián)想到了將具有形狀記憶效應(yīng)的智能材料、自愈合材料或是具有特殊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的“超材料”（Metamaterials）等，與3D打印技術(shù)相結(jié)合，發(fā)揮材料功能性與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)性的最大優(yōu)勢(shì)，為傳統(tǒng)3D打印技術(shù)插上時(shí)間維度可設(shè)計(jì)性的翅膀——可以說，4D打印的出現(xiàn)豐富了3D打印技術(shù)的潛能與生命力。[4, 5]

 

 

圖2 4D打印成型技術(shù)、材料與外作用場(chǎng)的關(guān)系[5]

 

# PART 02 不同響應(yīng)場(chǎng)的作用機(jī)制舉例

 

2.1 熱響應(yīng)材料4D打印

 

熱響應(yīng)材料的4D打印的材料和工藝相對(duì)成熟，熱響應(yīng)材料都是基于材料的相變或者玻璃化轉(zhuǎn)變，對(duì)應(yīng)于相變溫度Tm或者玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg。在4D打印中，材料在相變溫度或者玻璃化轉(zhuǎn)變溫度之上通過3D打印的材料進(jìn)行成型，然后在相變溫度以下施加外力變形，進(jìn)行二次構(gòu)型，這時(shí)的形貌是臨時(shí)形貌。臨時(shí)形貌能在相變溫度之下一直保持。當(dāng)溫度恢復(fù)至相變溫度之上時(shí)，形狀又恢復(fù)打印時(shí)的形狀。目前可用于3D打印的熱響應(yīng)的材料比較廣泛，形狀記憶材料、水凝膠、液晶彈性體等，形狀記憶材料的工藝比較成熟。其中最經(jīng)典的例子就是3D打印的埃菲爾鐵塔模型在特定溫度下的變形[6]。

 

 

圖2 變形的埃菲爾鐵塔[6]

 

2.2 水響應(yīng)材料4D打印

 

水響應(yīng)的材料，一般是遇水膨脹的材料。這種材料并不罕見，比如食用的大豆，“水寶寶”和“尿不濕”的吸水層?？蒲泄ぷ髡呃眠@些常見材料，實(shí)現(xiàn)了3D打印結(jié)構(gòu)在水下的變形。單一材料的膨脹率都是相同的，如果單一膨脹率的材料打印的結(jié)構(gòu)的在水中只是簡(jiǎn)單的“放大”和“縮小”，將兩種在水中膨脹率不同的材料結(jié)合在一起，才可以實(shí)現(xiàn)彎曲變形。絕大多數(shù)的水響應(yīng)4D打印是多材料的打印，此時(shí)3D打印機(jī)就像一臺(tái)縫紉機(jī)，將兩種或者多種材料按照特定的方式編織在一起，不同的材料排列方式，彎曲方向不同，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的變形。

 

 

圖3 不同膨脹率的材料在水中的彎曲變形[7]

 

相同材料也能夠?qū)崿F(xiàn)4D打印，著名學(xué)術(shù)期刊《Nature Materials》于2018年報(bào)道了這一工作[1]。研究人員利用納米纖維加入到溶液中，調(diào)制出了一種可用于DIW打印工藝的特殊漿料，該漿料在通過噴嘴的時(shí)候表現(xiàn)剪切稀化，纖維會(huì)沿?cái)D出方向重新排列。固化的漿料表現(xiàn)出各向異性：垂直于擠出方向的膨脹率高于平行于擠出方向的，同種材料產(chǎn)生了不同的膨脹率，通過墨水直寫的方式打印出雙層結(jié)構(gòu)，就可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的變形。

 

 

圖4 定向排列的納米纖維軸向和徑向膨脹率不同，造成了同種材料不同的膨脹率[1]

 

2.3 磁響應(yīng)的4D打印

 

響應(yīng)磁場(chǎng)4D是通過在打印材料上摻雜磁鐵顆粒實(shí)現(xiàn)，這些磁顆粒在磁場(chǎng)中受力驅(qū)動(dòng)整體結(jié)構(gòu)變形。為了使3D打印的機(jī)構(gòu)在磁場(chǎng)下產(chǎn)生較大的變形，打印材料一般選用很柔的材料，比如石墨烯，PDMS。但是在磁場(chǎng)下，整體的結(jié)構(gòu)卻十分“有力”。比如磁顆粒摻雜的PDMS機(jī)械手能都抓起超出自身重1000倍的物體[1]，這是由于磁顆粒之間相互產(chǎn)生了磁力，使整體結(jié)構(gòu)的剛度增加。2018 學(xué)術(shù)期刊《Science Advanced》報(bào)道了4D打印的力學(xué)超材料，研究人員先用3D打印機(jī)打印出中空的高分子外殼，然后填充磁流體（Magnetorheological fulid）。磁流體會(huì)在磁場(chǎng)下磁化，產(chǎn)生相互作用力，使整體結(jié)在不同磁場(chǎng)下表現(xiàn)不同的剛度，實(shí)現(xiàn)了力學(xué)性能隨外界的響應(yīng)[8]。

 

 

圖5 響應(yīng)磁場(chǎng)的力學(xué)超材料[8]

 

2.4 陶瓷材料的4D打印

 

絕大多數(shù)的4D打印技術(shù)基于高分子材料，很少有陶瓷的4D打印的報(bào)道。這是因?yàn)樘沾傻?D技術(shù)采用陶瓷漿料或者陶瓷前驅(qū)體，成型后很再難產(chǎn)生大變形。香港城市大學(xué)的呂堅(jiān)教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，另辟蹊徑，首次實(shí)現(xiàn)了陶瓷的4D打印。該項(xiàng)成果發(fā)表在著名的學(xué)術(shù)期刊《Science Advances》[9]。不同于傳統(tǒng)的陶瓷漿料或者前驅(qū)體，該團(tuán)隊(duì)將納米級(jí)別的陶瓷顆粒和高分子彈性體（dimethylsiloxane）均勻的混合，這種陶瓷復(fù)合彈性體彈性十足，拉伸200%后可以復(fù)原。研究人員通過墨水直寫（direct ink writing）的方式打印出預(yù)設(shè)的圖案。陶瓷的4D打印分為兩部分：主體結(jié)構(gòu)和基底。研究人員通過對(duì)基底施加預(yù)應(yīng)力，并且將基底和主體結(jié)構(gòu)連接；釋放基底應(yīng)力后，主體結(jié)構(gòu)隨之產(chǎn)生變形。這種通過預(yù)應(yīng)力變形的特殊結(jié)構(gòu)必須通過高溫?zé)Y(jié)才能產(chǎn)生獲得最終的陶瓷制品。陶瓷4D打印技術(shù)在獲得復(fù)雜曲面有著得天獨(dú)厚的的優(yōu)勢(shì)，加上陶瓷本身的防電磁屏蔽性能，耐蝕性，陶瓷4D打印有望在5G時(shí)代大顯身手。

 

# PART 03 前景展望

 

 

圖6 4D打印技術(shù)的未來發(fā)展需求及應(yīng)用[4]

 

目前而言，4D打印技術(shù)作為一個(gè)年輕的研究領(lǐng)域，已報(bào)道的多數(shù)研究尚處于探索階段，與真正投入實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用還存在一定的距離。在未來，4D打印的進(jìn)一步發(fā)展則有賴于多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展與深入研究：第一，跨尺度復(fù)雜結(jié)構(gòu)的功能材料或器件的快速制備仍有賴于高精度、高打印速度、多材料體系的3D打印技術(shù)的發(fā)展；第二，適合于4D打印成型的新型多功能墨水材料有待進(jìn)一步開發(fā)；第三，需要建立系統(tǒng)的理論模型和設(shè)計(jì)方法以精確地預(yù)測(cè)和優(yōu)化4D打印部件的拓?fù)湫螤罡淖儭６豢煞裾J(rèn)的是，這項(xiàng)新技術(shù)已經(jīng)向我們展示出其在諸多領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力，如智能設(shè)備、智能包裹、自折疊材料、超材料、生物醫(yī)藥工程等領(lǐng)域[4, 5]。以下舉出兩個(gè)例子作簡(jiǎn)單的展開介紹：

 

（1）柔性機(jī)器人

 

柔性機(jī)器人是目前4D打印應(yīng)用聚焦的核心領(lǐng)域之一。形狀記憶材料的可編程特性意味著我們可以將材料打印成為具有可驅(qū)動(dòng)能力的器件。例如，在高海拔、外太空、洪水、冰雪等極端復(fù)雜環(huán)境中，只要找到適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和刺激響應(yīng)方式，就有可能設(shè)計(jì)這類材料模仿生物體在環(huán)境中的響應(yīng)方式，制備出具有各種功能的可編程智能柔性機(jī)器人[5]。

 

（2）生物醫(yī)療

 

生物醫(yī)用材料的增材制造近年來發(fā)展迅速，因此，諸如形狀記憶合金、聚合物、水凝膠等生物相關(guān)材料在定制和個(gè)性化制造方面的優(yōu)勢(shì)，使得4D生物打印在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中表現(xiàn)出巨大的潛力。例如，可以通過4D打印來實(shí)現(xiàn)量身定制的縫合線、血管修復(fù)裝置等，也可利用4D打印技術(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)生物醫(yī)學(xué)設(shè)備的開發(fā)，這些設(shè)備可用于藥物輸送、電子皮膚、和仿生機(jī)器人等場(chǎng)景，以模仿生物系統(tǒng)（如復(fù)雜的人造肌肉）中的應(yīng)用[4,5]。

 

參考文獻(xiàn):