综述：4D打印技术进展！你想知道的4D打印这里都有！
时间:2022-03-01 15:17 来源:南极熊 作者:admin 点击:次
众所周知，与传统的增材制造技术(3D打印)相比，4D打印技术(四维打印)增加了时间维度。采用4D打印工艺制备的结构可以随着外界环境(光、热、磁、电等)的变化而改变其形状和形态，4D打印具有广阔的应用前景。近日，来自北京航空航天大学的研究者们整理了目前4D打印技术的现状，研究成果应用前景和存在的问题等，下面就请大家跟随南极熊一起看下去吧。
4D打印的介绍和概念 基于3D打印，4D打印采用能够响应外部环境(即电场、磁场、温度、湿度、PH等)变化的智能材料。或者采用特定的打印工艺，使打印部件对外界刺激做出响应并使其几何尺寸和内部结构发生变化。在2013年TED大会上，Tibits等人将一个软柱体浸入水中，圆柱体在水中自动弯曲和变形，形成特定的形状。这些关于4D打印的结果引起了研究人员们广泛的关注，许多关于4D打印的研究已经开始涌现。综上所述，相对于3D打印而言，4D打印的附加维度主要是指时间维度。结果表明，打印品在受到外界环境(如温度、湿度、电流、磁场等)刺激时，会发生形状或其他形态的变化。目前对4D打印技术的研究主要集中在变形能力方面。传统的打印元件响应外界激励的方法通常需要三个部分：传感器、处理器和执行器。4D打印部件本身无需伺服驱动设备即可实现对外界刺激的响应，降低了结构复杂性和重量。
4D打印可以通过使用不同特性的形状记忆材料来实现元件对外部环境变化的响应。这种反应是外部刺激对材料的“驱动”效应。4D打印的研究主要集中在开发能够响应外界刺激的智能材料。目前，在4D打印中应用较广泛的材料有形状记忆聚合物、天然纤维、形状记忆合金。通过将材料的智能特性与增强的制造技术相结合，可以实现产品对外界刺激的整体响应。根据打印部件对外界刺激的响应程度不同，4D打印可分为水、热、磁、电、光等多种驱动方式。 1. 水驱动4D打印
水驱动4D打印部件通常由暴露在水中时具有体积变化的材料作为驱动组件，而亲水性材料作为基质组件。当驱动部件与水分子结合时，体积发生变化，发生变形。例如，亲水性聚合物遇到水时会形成水凝胶，导致体积急剧增加，纤维素与水分子结合时会膨胀，基质的驱动成分的变形最终会使水环境中的整体结构变形。实现水驱动4D打印需要考虑的主要问题是制备具有溶胀各向异性的打印材料，以及在水环境中设计不同方向具有不同溶胀特性的打印材料。
水驱动4D打印技术的打印材料相对容易制造，不需要复杂的打印设备。它可以实现很大程度的变形。它有望应用于人体、水下机器人等领域。然而，由于使用水响应型智能材料的部件高度依赖于水环境，因此实现远程精确控制是具有挑战性的。水驱动4D打印还有很多应用，可点击文末链接查看。
3D打印机和零件变形工艺
2. 热驱动4D打印
热驱动4D打印技术通过调节温度激活形状记忆材料，以控制部件的变形。通常，可以响应热刺激的热塑性形状记忆聚合物或形状记忆合金被用作热驱动4D打印材料。其中，热驱动形状记忆聚合物比形状记忆合金更容易制备，因此被广泛应用于热驱动4D打印技术的研究。热驱动形状记忆聚合物的形状记忆功能源于其分子链组分在温度刺激下的玻璃化转变或熔融转变。热驱动4D打印组件的经典制造工艺是：首先，利用增材技术制造具有初始形状的组件；然后，当组件高于聚合物的玻璃化转变温度Tg时，将组件从初始形状调整为临时形状，保持临时形状并将其冷却至玻璃化转变温度以下，以使临时形状稳定；当再次加热至玻璃化转变温度以上时，组件可恢复其原始形状，实现形状记忆功能。
加热后支架的形状变化过程
基于形状记忆材料和衬底之间的热应变差异，Wang等人利用两种材料在加热时产生的不同热应变产生垂直于打印纤维的弯曲变形。抓取机构由“手掌”和“手指”组成。“手掌”是一个预制的结构件，手掌上安装了三个“手指”。加热时，三个手指弯曲变形以抓住目标物体。
4D打印“手指”实现抓取动作
当温度变化时，大多数热驱动的4D印刷部件将整体变形，但在实际应用中，通常需要控制部件的局部变形。Teoh等研究了可以实现局部变形的成分。在三层花瓣中使用具有不同玻璃化转变温度的形状记忆聚合物以实现花的分层开花和部分组分的简单控制。更精确和灵活的控制需要结合电，磁等驱动方法。
三层花瓣开花过程
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