綜述：4D打印技術進展！你想知道的4D打印這里都有！
時間：2022-03-01 15:17 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
眾所周知，與傳統的增材制造技術(3D打印)相比，4D打印技術(四維打印)增加了時間維度。采用4D打印工藝制備的結構可以隨著外界環境(光、熱、磁、電等)的變化而改變其形狀和形態，4D打印具有廣闊的應用前景。近日，來自北京航空航天大學的研究者們整理了目前4D打印技術的現狀，研究成果應用前景和存在的問題等，下面就請大家跟隨南極熊一起看下去吧。
4D打印的介紹和概念
基于3D打印，4D打印采用能夠響應外部環境(即電場、磁場、溫度、濕度、PH等)變化的智能材料。或者采用特定的打印工藝，使打印部件對外界刺激做出響應并使其幾何尺寸和內部結構發生變化。在2013年TED大會上，Tibits等人將一個軟柱體浸入水中，圓柱體在水中自動彎曲和變形，形成特定的形狀。這些關于4D打印的結果引起了研究人員們廣泛的關注，許多關于4D打印的研究已經開始涌現。綜上所述，相對于3D打印而言，4D打印的附加維度主要是指時間維度。結果表明，打印品在受到外界環境(如溫度、濕度、電流、磁場等)刺激時，會發生形狀或其他形態的變化。目前對4D打印技術的研究主要集中在變形能力方面。傳統的打印元件響應外界激勵的方法通常需要三個部分：傳感器、處理器和執行器。4D打印部件本身無需伺服驅動設備即可實現對外界刺激的響應，降低了結構復雜性和重量。
4D打印可以通過使用不同特性的形狀記憶材料來實現元件對外部環境變化的響應。這種反應是外部刺激對材料的“驅動”效應。4D打印的研究主要集中在開發能夠響應外界刺激的智能材料。目前，在4D打印中應用較廣泛的材料有形狀記憶聚合物、天然纖維、形狀記憶合金。通過將材料的智能特性與增強的制造技術相結合，可以實現產品對外界刺激的整體響應。根據打印部件對外界刺激的響應程度不同，4D打印可分為水、熱、磁、電、光等多種驅動方式。
1. 水驅動4D打印
水驅動4D打印部件通常由暴露在水中時具有體積變化的材料作為驅動組件，而親水性材料作為基質組件。當驅動部件與水分子結合時，體積發生變化，發生變形。例如，親水性聚合物遇到水時會形成水凝膠，導致體積急劇增加，纖維素與水分子結合時會膨脹，基質的驅動成分的變形最終會使水環境中的整體結構變形。實現水驅動4D打印需要考慮的主要問題是制備具有溶脹各向異性的打印材料，以及在水環境中設計不同方向具有不同溶脹特性的打印材料。
水驅動4D打印技術的打印材料相對容易制造，不需要復雜的打印設備。它可以實現很大程度的變形。它有望應用于人體、水下機器人等領域。然而，由于使用水響應型智能材料的部件高度依賴于水環境，因此實現遠程精確控制是具有挑戰性的。水驅動4D打印還有很多應用，可點擊文末鏈接查看。
3D打印機和零件變形工藝
2. 熱驅動4D打印
熱驅動4D打印技術通過調節溫度激活形狀記憶材料，以控制部件的變形。通常，可以響應熱刺激的熱塑性形狀記憶聚合物或形狀記憶合金被用作熱驅動4D打印材料。其中，熱驅動形狀記憶聚合物比形狀記憶合金更容易制備，因此被廣泛應用于熱驅動4D打印技術的研究。熱驅動形狀記憶聚合物的形狀記憶功能源于其分子鏈組分在溫度刺激下的玻璃化轉變或熔融轉變。熱驅動4D打印組件的經典制造工藝是：首先，利用增材技術制造具有初始形狀的組件；然后，當組件高于聚合物的玻璃化轉變溫度Tg時，將組件從初始形狀調整為臨時形狀，保持臨時形狀并將其冷卻至玻璃化轉變溫度以下，以使臨時形狀穩定；當再次加熱至玻璃化轉變溫度以上時，組件可恢復其原始形狀，實現形狀記憶功能。
加熱后支架的形狀變化過程
基于形狀記憶材料和襯底之間的熱應變差異，Wang等人利用兩種材料在加熱時產生的不同熱應變產生垂直于打印纖維的彎曲變形。抓取機構由“手掌”和“手指”組成。“手掌”是一個預制的結構件，手掌上安裝了三個“手指”。加熱時，三個手指彎曲變形以抓住目標物體。
4D打印“手指”實現抓取動作
當溫度變化時，大多數熱驅動的4D印刷部件將整體變形，但在實際應用中，通常需要控制部件的局部變形。Teoh等研究了可以實現局部變形的成分。在三層花瓣中使用具有不同玻璃化轉變溫度的形狀記憶聚合物以實現花的分層開花和部分組分的簡單控制。更精確和靈活的控制需要結合電，磁等驅動方法。
三層花瓣開花過程
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