4D打印—未來技術(shù)的先鋒

李素麗，劉 偉，趙 峰

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710300）

4D打印—未來技術(shù)的先鋒

李素麗，劉 偉，趙 峰

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710300）

4D打印技術(shù)是未來技術(shù)的先鋒，主要原理是在3D打印技術(shù)基礎(chǔ)上，以可變形材料作為驅(qū)動執(zhí)行單元，利用材料的可變形特性，將成型構(gòu)件的設(shè)計參數(shù)、成型工藝、變形行為和最終結(jié)構(gòu)目標(biāo)等信息設(shè)計到初始構(gòu)型中。成型后利用外場激勵介質(zhì)刺激，通過彎曲、扭曲、膨脹等自我變形獲得預(yù)設(shè)三維空間構(gòu)型，是一種集成產(chǎn)品設(shè)計、制造、裝配為一體的創(chuàng)新技術(shù)，即4D打印方法。本文主要探索4D打印的發(fā)展趨勢以及變形機(jī)理，驗(yàn)證理論方法的正確性。

4D打??；可變形材料；微小構(gòu)件；技術(shù)先鋒

1　研究意義

以3D打印技術(shù)為典型代表的新型制造技術(shù)已成為引領(lǐng)未來制造業(yè)變革的重要技術(shù)之一，該技術(shù)有可能從根本上改變生產(chǎn)組織方式［1］。3D打印，是以CAD（計算機(jī)輔助設(shè)計）模型直接驅(qū)動、可以完成任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造方法的總稱。它的核心是數(shù)字化、智能化制造與材料科學(xué)的結(jié)合，主要特點(diǎn)是數(shù)字驅(qū)動的增材制造（Additive Manufacturing AM)。盡管3D打印設(shè)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(huán)境適應(yīng)性。4D打印技術(shù)，就是在3D打印的基礎(chǔ)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(tài)上發(fā)生自我調(diào)整。從產(chǎn)品設(shè)計、制造、裝配的角度重新審視3D打印技術(shù)，從設(shè)計制造規(guī)律及材料驅(qū)動變形機(jī)理上探索新的4D打印成型理論，為構(gòu)建自變形、自重塑功能零部件與成型一體化工藝探索基礎(chǔ)原理[2-5]。

4D打印直接將設(shè)計內(nèi)置到物料當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(shè)計理念到實(shí)物的造物過程，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)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(tǒng)制造技術(shù)，但它能夠創(chuàng)造出有適應(yīng)能力的新產(chǎn)品，而且這項(xiàng)技術(shù)終將帶來生物科學(xué)、材料科學(xué)、機(jī)器人、交通運(yùn)輸、藝術(shù)甚至太空探索領(lǐng)域的革命性變化，在我國尖端導(dǎo)彈武器以及月球車等軍事、航天領(lǐng)域的發(fā)展前景頗為樂觀，在小批量、個性化的生產(chǎn)模式上獨(dú)具優(yōu)勢。目前，成型工藝、材料設(shè)計、裝備制造等技術(shù)水平都是制約4D打印技術(shù)發(fā)展的主要障礙[6-10]。

2　國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

所謂的“4D打印技術(shù)”，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(chǎn)品的設(shè)計自動折疊成相應(yīng)的形狀。這項(xiàng)技術(shù)由麻省理工學(xué)院的自組裝實(shí)驗(yàn)室開發(fā)和明尼蘇達(dá)州和以色列合資的一家3D打印機(jī)制造商斯特塔西有限公司合作開發(fā)。4D打印不但能夠創(chuàng)造出有智慧、有適應(yīng)能力的新事物，還可以徹底改變傳統(tǒng)的工業(yè)打印甚至建筑行業(yè)。

Oxman等[1]于2011年最早提出一種變量特性快速原型制造技術(shù)，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(xù)梯度的功能組件，成型件隨時間推移可實(shí)現(xiàn)自我變形，體現(xiàn)了4D打印技術(shù)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(qū)動單元，采用多噴頭噴墨打印制作初始構(gòu)型，成型件在外界應(yīng)力激勵驅(qū)動下發(fā)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(shí)現(xiàn)了真正意義上的具有自我組裝功能的4D打印。麻省理工學(xué)院Tibbits團(tuán)隊(duì)[3-6]基于非線性介質(zhì)理論對變形材料的特性和變形機(jī)理進(jìn)行研究，以“特殊墨水”作為“智能材料”，采用3D打印技術(shù)制作與水接觸時具有自動膨脹功能結(jié)構(gòu)。在4D打印配套軟件開發(fā)方面，Autodesk公司開發(fā)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(shù)的研究處于起步階段，國內(nèi)未見報道。

3　微小構(gòu)件熔滴4D打印成型機(jī)理和成型工藝探索

在成型可變形微小構(gòu)件之初，應(yīng)對其材料屬性和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)分析。采用形狀記憶合金成型微小構(gòu)件時除了要求無缺陷和保證具有一定的力學(xué)性能外，還須保證形狀記憶合金功能達(dá)到所需要求。因此，它比一般結(jié)構(gòu)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(shù)帶來了很大的難度。由于形狀記憶合金組織和力學(xué)性能對溫度變化極為敏感，高溫下對N、O、H的親和力強(qiáng)，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(yīng)，應(yīng)防止馬氏體相變，并設(shè)法控制熱影響區(qū)大小，防止晶粒長大破壞母材的有序點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)而影響其形狀記憶效應(yīng)[8-12]。

形狀記憶合金制備方法有提拉法、液態(tài)金屬冷卻定向凝固法和區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻法等。目前，相對成熟的金屬件3D打印技術(shù)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(diǎn)是熱量集中，加熱快冷卻快熱影響區(qū)小，進(jìn)而影響金屬相形成的均勻度。電子束快速成型的優(yōu)點(diǎn)有能量密度高，熱影響區(qū)小，變形小，生產(chǎn)率高等，但成型精度低。

3D成型工藝實(shí)現(xiàn)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(shù)實(shí)現(xiàn)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(shù)、環(huán)境特性以及成型溫度控制等工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對血管支架控型空性制造成型，使其具有良好精度和質(zhì)量。成型后在電磁激勵下發(fā)生彎曲、扭曲、膨脹等自我變形最終達(dá)到預(yù)設(shè)三維空間構(gòu)型，完成滿足力學(xué)性能和和部分醫(yī)學(xué)性能（如形狀匹配、功能穩(wěn)定性等）的血管支架的4D打印成型[13]。

4　結(jié)束語

4D打印顛覆傳統(tǒng)的造物方式，它創(chuàng)造出智能化物體，是夠神奇的。正如人的生產(chǎn)也隨著生物生命科學(xué)的發(fā)展也發(fā)生巨變，如試管嬰兒、克隆人等，但克隆人技術(shù)因?yàn)榇嬖趥惱砑s束而作罷。

有機(jī)構(gòu)認(rèn)為，4D打印不但能夠創(chuàng)造出有智慧、有適應(yīng)能力的新事物，還可以徹底改變傳統(tǒng)的工業(yè)打印甚至建筑行業(yè)，家具可由它自己組裝、地下管道由它自己在地下鋪設(shè)，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(fā)展前景[14]。

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

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

為推動重大技術(shù)裝備創(chuàng)新應(yīng)用，今年2月，財政部、工業(yè)和信息化部、中國保監(jiān)會聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于開展首臺（套）重大技術(shù)裝備保險補(bǔ)償機(jī)制試點(diǎn)工作的通知》，開展首臺（套）重大技術(shù)裝備保險補(bǔ)償機(jī)制試點(diǎn)工作。工信部負(fù)責(zé)制定《首臺（套）重大技術(shù)裝備推廣應(yīng)用指導(dǎo)目錄》（以下簡稱《目錄》），凡生產(chǎn)《目錄》所列裝備產(chǎn)品的制造企業(yè)均可自主投保首臺（套）重大技術(shù)裝備綜合險。此保險補(bǔ)償機(jī)制堅持“政府引導(dǎo)、市場化運(yùn)作”原則，由保險公司針對重大技術(shù)裝備特殊風(fēng)險提供定制化首臺（套）重大技術(shù)裝備綜合險，生產(chǎn)《目錄》所列裝備產(chǎn)品的制造企業(yè)可自主投保，中央財政對符合條件的投保企業(yè)保費(fèi)適當(dāng)補(bǔ)貼（補(bǔ)貼為總保費(fèi)80%），保險公司承保產(chǎn)品質(zhì)量風(fēng)險和責(zé)任風(fēng)險， 裝備制造企業(yè)投保，裝備使用方收益，利用財政資金杠桿，發(fā)揮保險風(fēng)險保障功能，降低用戶風(fēng)險，加快首臺（套）重大技術(shù)裝備推廣應(yīng)用。

首臺（套）重大技術(shù)裝備是指經(jīng)過創(chuàng)新，其品種、規(guī)格或技術(shù)參數(shù)等有重大突破，具有知識產(chǎn)權(quán)但尚未取得市場業(yè)績的首臺（套）或首批次的裝備、系統(tǒng)和核心部件。工信部原《目錄》較少涉及鑄造行業(yè)重大技術(shù)裝備，2015年工信部啟動了《目錄》修訂工作，接到通知后中鑄協(xié)積極組織相關(guān)企業(yè)和專家對鑄造行業(yè)大噸位、外熱風(fēng)、水冷長爐齡沖天爐等重大技術(shù)裝進(jìn)行推薦。2015年10月29日，工信部正式發(fā)布了《首臺（套）重大技術(shù)裝備推廣應(yīng)用指導(dǎo)目錄（2015年第二版）》，鑄鐵件生產(chǎn)用大噸位、外熱風(fēng)、水冷長爐齡沖天爐成套設(shè)備，高效智能壓鑄島、清潔高效發(fā)電裝備大型鑄件等鑄造行業(yè)重大技術(shù)裝備新增列到《目錄》中，必將提升鑄造行業(yè)技術(shù)改造和創(chuàng)新的積極性，加快推進(jìn)鑄造行業(yè)首臺（套）重大技術(shù)裝備研究與應(yīng)用。（中國鑄造協(xié)會網(wǎng)）

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(chuàng)新技術(shù)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(jī)械模具設(shè)計及3D打印技術(shù).