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4D打印的发展现状与应用前景
发布时间:2020-08-13   浏览次数:32

4D打印使用的是一种能够自动变形的材料,只需特定条件(如温度、湿度等),不需要连接任何复杂的机电设备,就能按照产品设计自动折叠成相应的形状。“智能材料”是4D打印的关键。简单地说,4D打印就是用来描述合成物进行自我改变和适应环境的过程,在三维的物体上附加的第4个维度,就是时间。

一、4D打印技术问世,放在水里“自我组装”

2013年2月25日,在美国加州举办的TED 2013大会上,来自美国麻省理工学院(MIT)的建筑师,设计师和计算机科学家斯凯拉·蒂比茨(Skylar Tibbits)展示了4D打印技术(图1)。这项技术由麻省理工学院自组装实验室和3D打印公司stratasys合作开发。而斯凯拉·蒂比茨也被公认为是4D打印的发明者。

图 1   斯凯拉·蒂比茨在展示4D打印技术

蒂比茨展示的4D打印过程就像是拥有自我意识的机器人,科学家通过软件完成建模和设定时间后,变形材料会在指定时间自动变形成所需要的形状。在他展示的视频中,一根多串的PVC复合材料管在水中完成了自动变形,如图2所示。

4D打印创造出一种能够在被打印出来之后发生改变的物体,而且它们能够进行自我调整


图 2   聚氯乙烯(PVC)复合材料管按照事先设计好的组装方案,慢慢变形成麻省理工学院的缩写字母“MIT”


蒂比茨认为,4D打印让快速建模有了根本性的转变。与3D打印的预先建模、扫描、然后使用物料成形不同,4D打印直接将设计内置到物料当中,简化了从“设计理念”到“实物”的造物过程。让物体如机器般自动创造,不需要连接任何复杂的机电设备。

二、4D打印技术经典案例

尽管在2013年美国麻省理工学院已经展示出了一个关于4D打印技术的实验,但该技术当时并未引起太大关注。一直到2014年10月8日,美国《外交》双月刊发表了一篇名为《准备迎接4D打印革命》的文章,才让很多国家政府层面开始关注4D打印技术,尤其是以美国为首的发达国家,着手在军事、医学等领域探索4D打印技及其在这些领域中的应用。

2015年,佐治亚理工学院(GIT)和新加坡技术大学也推出了4D打印的研究成果,只需单一种类的刺激(比如热量),就能实现三维物体的自我折叠。使用智能形状记忆聚合物(SMPs)制成的4D平面在放入热水中自动变形为一个自锁立方体的过程。

形状记忆高聚物(SMPs)是一种有名的智能材料。这种材料的特点就是可以在外界作用下变为其他形状,之后在加热等条件的刺激下还能变回原始形状。在上面的过程中,热水就是单一的热源,而立方体的各个部位则是由对热量反应不同的SMPs通过3D打印技术制成的。所以它们可以按照时间顺序先后运动,在不发生相互阻挡的情况下最终自折叠成既定的3D实体。

这种全新的4D技术可以用于制造那些需要方便运输的物体。它们最初的形态可能就如同上面的实验品一样是一个平面,需要使用时只要施加合适的刺激就会自动转化为3D形态。便携式庇护所,支架一类的移动式医疗设备,简单的机械,以及互动玩具都可以是它的应用项目。

同样是2015年,耶路撒冷希伯来大学卡萨利应用化学中心利用光固化成型(SLA)技术实现了SMPs材料的4D打印。这项成果能够实现结构的整体运动,而不是特定部位运动。打印的模型在室温中如同蜡一样,通过热枪提高其熔融温度后就能弯曲或重新塑形。如果要固定住改变的形状,只需将其放入冷水降低熔融温度即可。之后再次加热,形状记忆就会启动,从而令其恢复原始形态。为了将这项技术应用到柔性电子产品中,就需要将SMPs整合到导电材料中以触发移动。目前,研究者们已经用导电的银质纳米墨水打印出了一块扁平的电路。它能够在电压的作用下实现自动开合。研究者表示这样的技术能够运用于制造柔性机器人,微创医疗设备,传感器以及可穿戴电子产品。

2016年1月,哈佛大学宣布开发出微观4D打印结构,这种新型4D结构使用一种“水凝胶墨水”,该墨水是从一种含有木纤维的特殊水凝胶复合材料中提炼萃取的。由于使用了专门的材料预测模型,该结构会在遇水后逐渐膨胀、变硬,直至完全变形为预编程的形状。这种在外部刺激下就能自动变形为预设形态的能力在智能织物、柔性电子产品、生物医疗用品和组织工程等方面都有重大的应用价值。

瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)更是把4D打印提升到新的高度:他们与计算实验室(EDCL)在2017年5月展示了一种全新的4D打印结构(图3),最后形成的四面体结构可以承受一定质量。这些4D打印结构是他们使用一款多材料3D打印机制造的。其中,白色部分的材料一种刚性聚合物,黑色部分的材料则是一种弹性聚合物。这种弹性聚合物受热会发生形变,而这正是这些结构变形的关键所在。相关负责人表示,这种新型4D打印结构最大的应用领域是航空航天。不过,它也可用到其他方面,比如通风系统、阀门开关,以及医用支架。

图 3   ETH Zurich展示的 4D 打印结构


2017年6月,美国乔治亚理工学院(GT)展示了一种全新的4D打印结构(图4),使用了4D打印的常用材料——一种形状记忆聚合物。此材料可以被编程,所以研究人员才能控制由它制成的支柱按顺序展开。与其他4D打印结构相比,他们的结构有个很大的不同,就是本身的类型并非普通结构,而是张拉整体式结构。这种结构由美国著名建筑师富勒提出,特点是质轻却强韧,以及能最大限度利用材料和截面的特性,从而使用尽量少的材料造出超大跨度建筑。

这种 4D 打印结构可以用于太空建设。具体来说就是让尺寸较大的航天器结构(比如天线)可以先被压缩,进入太空后再借助热刺激(比如阳光)展开。这样一来,将它们发射上天就会容易许多。


图 4   美国乔治亚理工学院展示的 4D 打印结构


三、4D 打印的应用前景

4D 打印是在 3D 打印基础上的改进和完善,具有巨大的应用前景。从 4D 打印相关的研究成果来看,其比较有应用前景的领域分为 3 类:军事,生物医疗和文创领域。

1.军事

4D 打印的智能材料能够感知外界的变化,从而实现与周围环境相适应的效果。美国陆军部已投入大量资金研发“自适应伪装作战服”,主要是从 3 个方面进行研发,分别是隐身功能、防弹功能和自适应功能。隐身功能能够使作战服在不同的环境下变化颜色,从而实现伪装效果;防弹功能能够根据外力的大小调节软硬度,保护士兵的人身安全;自适应功能能够使得服装根据外界温度的变化调节其特性,比如厚度、透气性等,使得穿着更加舒适。

4D 打印同样能够应用于大型军用装备上。在打印的过程中,大型装备件呈压缩或折叠装,运输到目的地后能展开成完全体。这样能够大大减少打印件的部件数量,降低成本。根据相关报道,利用 3D 打印技术制造的大型军用装备已经获得了突破,但是运输到目的地后仍然需要花费人力和物力进行组装。而利用 4D 打印技术制造的部件免去了人工组装步骤,能够自动组装为成品。

2. 生物医疗

生物医疗将是 4D 打印大显身手的主战场。因为伴随着纳米技术与数字化智能技术研发的深入,4D 打印将能够进入人体内非常细微的空间进行工作。心脏支架就是 4D 打印的一种,可通过血液循环系统注射入 4D 打印的智能材料,其到达心脏指定部位后自我组装成支架。这样就不再需要给病人做开胸手术,减少了病人的痛苦。

加拿大 Alberta 大学的 Ingenuity 实验室于 2017 年 12 月宣布利用 3D 打印技术制造出了一种叶子形状的全新 4D 打印结构(图5),由天然蛋白质和水凝胶材料组成。这片 4D 打印的叶子能对不同的环境和材料做出物理反应,是用一种由银纳米颗粒、碳纳米管和蛋白质膜混合而成的特殊树脂打印的。当浸入水中并暴露在紫外光下时,这种材料就会与水反应,将水分子分解产生氢气。研究人员认为,这项研究最终能够实现 3D 打印真正可植入的人体器官。换言之,4D 打印的水凝胶叶片标志着 3D 生物打印的器官发展的重要成就。


图 5   叶子形状的 4D 打印结构


4D 打印同样可用于癌症治疗。牛津大学圣安东尼学院荣誉学者纳伊夫·鲁赞曾声称,借助 4D 打印技术,研究人员能够利用DNA链制造出对抗癌症的纳米机器人。如果能够实现纳米尺度下的操作,4D 打印将在医疗领域做出巨大的成就。

3.文创

4D 打印技术的发明人蒂比茨领头研发了一种可以主动变形的鞋子,这种鞋子采用的是一种半透明、质轻、高度可塑的材料,可给予鞋子极致的美感。制作这种变形鞋的材料名叫“主动织物”,是通过以不同的层厚和在拉伸的织物上进行模式编程使用 3D 打印塑料制成的。一旦摆脱力的束缚,这种织物就会“跳起来”或发生重构,然后变形为预编程的形状。因此,这种 4D 打印鞋可以根据人类的脚进行重构(图6),自动精确契合人的脚型。


图 6    4D 打印鞋子

美国设计公司Nervous System在2015年展示了一种利用4D打印技术制作的连衣裙Kinematics Dress(图7)。连衣裙是由3316个铰链连接的2279个独特的三角形面板组成的复杂结构,三角形与连接点之间的拉力,可随人体形态变化,即使变胖或变瘦,连衣裙也不会不合身。


图7   4D 打印服装


通过计算机软件,连衣裙的数字化模型被折叠成一个更小的形状,然后打印出来的是压缩的形态。当人们把裙子从打印机上拿下来后,它就会自动恢复预设的形状。4D 打印的优点,一方面是能将形状挤压成它们最小的布局并利用 3D 打印技术制造出来,这样能够最大化利用打印空间;另外一方面是其打印的物体可以根据不同的需求进行自我变化,这些是传统制造和 3D 打印技术无法比拟的。

4D 打印在时装领域的应用将改变当前服装的格局,比如未来的时装店将不再展示时装,也不再需要库存,而是一台人体 3D 扫描仪加一台 3D 打印机,用户可以根据自己的风格与偏好从计算机中选择相应的模板,系统将自动设计并生成相应款式的时装。

四、结语

3D 打印方兴未艾,4D 打印也受到了社会各界的关注。尽管目前的 4D 打印技术大多都处于早期研发阶段,但却已展现出了潜在的应用价值。限制 4D 打印发展的瓶颈主要是智能材料缺少,打印机规模小等问题,但是从 3D 打印技术 30 年的发展历程来看,完全有理由相信这些技术难点将被攻破,4D 打印技术将成为一种全新的智能制造方式。

文/ 刘屹环 朱丽)

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来源:中国3D打印文化博物馆
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