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4D打印技術的現狀與未來

4D打印技術的現狀與未來

  • 分類:學術交流
  • 作者:
  • 來源:
  • 發布時間:2018-12-27 15:15
  • 訪問量:

【概要描述】

4D打印技術的現狀與未來

【概要描述】

  • 分類:學術交流
  • 作者:
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  • 發布時間:2018-12-27 15:15
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詳情
  宋  波(華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室)
  卓林蓉(華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室)
  溫銀堂(燕山大學亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室)
  梁  波(燕山大學亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室)
  趙清亮(哈爾濱工業大學機電工程學院)
  賀健康(西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室)
  張述泉(北京航空航天大學大型金屬構件增材制造技術國家工程實驗室)
  閆春澤(華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室)
  史玉升(華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室)
  摘要:4D打印技術是指通過智能結構或材料的增材制造技術,實現構件形狀、性能或功能在時間和空間維度上的可控變化,滿足變形、變性和變功能的應用需求。4D打印技術以功能需求為導向,將材料、設計融入制造過程,是實現復雜智能構件制造的有效途徑。介紹了4D打印技術的內涵、研究現狀、應用前景和關鍵技術,并對現有4D打印技術存在的問題提出了幾點思考。
  關鍵詞:4D打印;智能材料;增材制造
  隨著高端裝備對構件的要求越來越高,組成高端裝備的構件從傳統的機械性能與功能特性向智能特性發展。智能構件能實現形狀、性能、功能的可控變化,然而其結構往往具有復雜化、精細化、輕量化等特點,傳統制造方法以鑄造、焊接、塑性加工和機加工為主,復雜構件工藝繁瑣甚至難以完成,此外,智能構件的復雜功能往往需要復合材料乃至多種智能材料的協同作用,采用傳統制造方法難以滿足復雜智能構件對結構與材料的雙重要求。而4D打印技術是在材料、機械、力學、信息等學科的高度交叉融合基礎上產生的顛覆性制造技術,將材料、設計融入制造過程中,是實現復雜智能構件制造的有效途徑。
  1  4D打印技術的內涵
  4D打印最早由美國麻省理工學院的Tibbits[1]提出,其團隊研究人員利用3D打印技術制造出一維繩狀物,放入水中后的繩狀物會自動變形成預先設定好的形狀,由此引發了學術界對4D打印的研究熱潮。如圖1、圖2所示,最初的4D打印技術是指在3D打印技術上增加了一個時間的維度,即智能材料經過3D打印成形后,構件在外界環境激勵下會發生自身結構的變化,多數追求的是外形的可變,目前處于概念演示階段。隨著研究的深入,4D打印的內涵進一步得到了豐富,認為4D打印就是通過智能結構、智能材料或非智能材料的增材制造技術,實現構件的形狀、性能或功能在時間和空間維度上的可控,滿足變形、變性和變功能的應用需求。在傳統的研究中,材料的合成、結構的設計、功能的實現均為獨立的環節,而4D打印則以功能需求為導向,實現了材料-結構-功能的一體化制造。
 
 
  圖1  最初的4D打印概念
 
 
  圖2  最新的4D打印概念
 
  2  4D打印技術現狀
  4D打印智能材料按不同材料屬性分為聚合物、形狀記憶合金、陶瓷材料等,其中聚合物又包括形狀記憶聚合物、電活性聚合物、水驅動型聚合物。
  4D打印形狀記憶聚合物的成形工藝有熔融沉積技術、光固化成形技術、聚合物噴射技術、直寫技術等[2]。香港大學的Yang等[3]研究了熔融沉積過程中工藝參數對制件強度、密度、粗糙度等性能的影響,并成功制備了火箭、花瓣、機械手等模型,花瓣在加熱到Tg溫度以上會發生閉合,而機械手在加熱到Tg溫度以上可抓取筆帽。新加坡南洋理工大學的Choong等[4]利用光固化雙組分光敏聚合物的方法打印了高性能形狀記憶制件,制件的力學性能與商用的形狀記憶聚合物相當,且能進行20次以上的形狀記憶循環(圖3)。美國佐治亞理工大學的Ge等[5]利用噴射技術打印了一種由聚合物纖維和彈性體組成的復合材料,該聚合物纖維作為增強相具有良好的形狀記憶效應,通過對聚合物纖維排布方式的設計并進行適當的熱機械處理,使得該復合材料能進行折疊、纏繞、彎曲,以形成更為復雜的三維結構。西安交通大學的Mu等[6]利用直寫技術打印銀導線,發現通過調整固化時間和固化溫度,可同時滿足導電率和可伸縮特性的要求,在80 ℃下固化10~30 min的導線在應變高達300%時仍能保持導電;同時,利用直寫技術打印銀導線并通過噴墨技術打印基底制備了電纜和柔性傳感器(圖4),這項研究對于可伸縮電極和柔性傳感器的發展具有重要意義。
 
 
  圖3  光固化制備的足球烯結構在不同溫度下的變形圖[4]
 
 
  圖4  直寫技術制備的柔性電纜結構及演示圖[6]
 
  電活性聚合物是一類在電場的刺激下可產生尺寸或形狀大幅變化的新型柔性功能材料,主要包括離子聚合物-金屬復合材料(IPMC)、巴克凝膠(bucky gel)、介電彈性材料(DE),三者均為中間基體材料、兩邊電極材料的結構。Carrico等[7]將Nifion前體材料制備成絲材,并通過熔絲增材制造的方法制備成所需的基體結構,再經水解、化學鍍后最終形成IPMC結構,這項技術將有望用于軟體機器人中的傳感和驅動裝置。Kamamichi等[8]提出用3D打印技術制造bucky gel,以離子液體、聚合物作為基體材料,以碳納米管、聚合物、離子液體作為電極材料,利用3D打印技術逐層打印電極、基體材料和電極,從而可制備任意復雜形狀的bucky gel。Schlatter等[9]實現了噴墨打印DE結構的炭黑電極,并將電極應用于介電彈性體驅動器上,在94 V/μm電場強度下的徑向拉伸可達8.8%。
  水驅動的智能材料主要根據材料的吸水特性進行設計,最終達到所需的變形結構。Tibbits教授在2013年展示的4D打印繩狀結構就是利用水刺激細繩的芯材,這是一種遇水能夠發生彎曲或膨脹的親水性材料,芯材的外層包裹著一種硬質材料,不同的厚度將產生不同大小的阻力,設計好的細繩在遇水時芯材發生彎曲而外層不同部位的材料根據厚度的差異產生不同的阻力,由此使整個細繩彎曲成預設的形狀[1]。哈佛大學的Sydney等[10]研究出一種新的混有纖維的水凝膠墨水,利用其打印出的花朵在水的刺激下能從二維扁平狀“生長”成三維形狀,二維卷曲的花朵還可變成三維風車狀(圖5),通過改變纖維為導電纖維,還可將該工藝應用到智能電子設備的開發上。華中科技大學的Song等[11]制備了碳納米管(CNTs)增強的聚乙烯醇(PVA)/聚乙二醇(PEG)雙網絡水凝膠復合材料,在經過外力變形與凍融處理后,水凝膠因受力而產生的形變能夠被固定下來,然后在高溫水的刺激下能恢復初始形狀;研究者還發現CNTs的加入既能保持雙網絡水凝膠的記憶性能,又能提高材料的粘彈性,即提高了材料的可打印性(圖6)。
 
 
  圖5  直寫技術制備不同結構的水凝膠花朵變形圖[10]
 
 
  圖6  直寫技術制備碳納米管增強雙網絡水凝膠變形圖及打印性能圖[11]
 
  目前應用最廣泛的形狀記憶合金主要有Ni-Ti基形狀記憶合金和Cu基形狀記憶合金。4D打印形狀記憶合金的成形工藝有激光選區熔化(selective laser melting,SLM)、激光重熔技術等。最初,由于激光器功率的限制,3D打印金屬采用了間接打印的方式。瑞士應用科學大學的Carre?觡o-Morelli[12]在2007年首次提出形狀記憶合金增材制造技術,利用有機膠和溶劑反應將NiTi金屬粉末粘接在一起,逐點固化成三維結構,打印出的記憶合金具有一定的形狀記憶效應。隨著激光器的發展,激光器輸出的功率足夠直接熔化金屬,使直接3D打印金屬成為可能,因此,研究者們開始采用SLM技術制備形狀記憶合金。Saedi等[13]研究了固溶處理對于Ni-Ti基形狀記憶合金的相變溫度、超彈性、機械性能的影響,發現固溶處理會提高強度和超彈性,但會輕微地降低可回復應變;還研究了固溶處理后不同時效的時間和溫度對SLM制備Ni-Ti基形狀記憶合金的形狀記憶效應和超彈性的影響,發現時效過后的樣品具有更高的強度和硬度,在350 ℃時效的樣品展現出完美的超彈性,在5.5%應變的情況下回復率達到95%以上,且多次循環后,可回復應變穩定在4.2%[14];而后,進一步研究了未固溶處理狀態下的時效處理工藝對形狀記憶效應的影響,發現時效工藝對合金的形狀記憶效應與超彈性有很大的影響,合適的時效工藝可以不進行固溶處理就能提高記憶合金的熱機械性能,改變相轉變溫度[15]。Dadbakhsh等[16]研究了高激光參數(高功率和高掃描速度)和低激光參數(低功率和低掃描速度)對Ni-Ti基形狀記憶合金的形狀記憶效應和超彈性的影響,發現在高激光參數下;SLM制件在室溫時主要為奧氏體相,故超彈性占主導,而在低激光參數下主要為馬氏體相,故形狀記憶效應占主導。之后,還通過制備Ni-Ti基多孔支架研究了高激光參數對支架尺寸精度、固體體積分數、斷裂機制的影響,發現高激光參數打印的樣品尺寸誤差大,多孔支架的壁厚比原始設計的壁厚更大,但是大壁厚在承載時有利于應變的均勻分布,對結構優化設計有一定的參考意義(圖7)[17]。
 
 
  圖7  高功率參數與低功率參數制備的鎳鈦合金支架[17]
 
  Khoo等[18]用激光重熔技術制備Ni-Ti基形狀記憶合金,發現通過改變已熔化層的激光吸收率和熱導率來影響第二次激光掃描時熔體的潤濕情況,從而影響孔隙率和球化現象,進一步影響制件的最終性能。Gargarella等[19]用SLM技術制備了致密度達92%以上的銅基合金圓柱體,研究了樣品微觀組織、熱穩定性和機械性能,證明了用SLM技術制備Cu-Al-Ni基形狀記憶合金的可行性。Gustmann等[20]用SLM技術制備了致密度接近99%的Cu-Al-Ni形狀記憶合金,由于激光選區熔化的極大冷卻速度抑制了其他相的形成,故生成了全馬氏體組織;同時,研究了不同工藝參數對制件致密度、孔隙分布、晶粒大小的影響,發現最優的能量密度為30~40 J/mm3,且掃描策略對于孔隙分布與晶粒尺寸有密切的關系;此外,還研究了重熔工藝對Cu-Al-Ni基形狀記憶合金的作用,發現重熔可提高塊體的致密度,經重熔處理的塊體致密度可達99.5%,且在不經過熱處理的條件下,通過調整重熔工藝中輸入的激光能量密度就能調整相變溫度[21]。
  關于4D打印陶瓷,傳統方法打印出的陶瓷前驅體難以變形,而近期香港城市大學的呂堅教授團隊利用一種復合彈性體陶瓷材料實現了陶瓷折紙結構的打印和4D陶瓷打印,這是首次實現的4D打印陶瓷。陶瓷折紙結構的打印可通過前期設計,先3D打印出陶瓷的前驅體(一種彈性體陶瓷),再用金屬絲輔助陶瓷前驅體折疊變形成復雜的折紙結構,最后熱處理前驅體轉變成陶瓷(圖8)。4D打印陶瓷則是在預拉伸的3D彈性體結構上打印主結構,彈性體結構預拉伸會產生預應力,當預應力釋放后,主結構就會發生變形,形成4D打印所需的結構,最后經熱處理轉化為陶瓷(圖9)[22]。
 
 
  圖8  4D打印具有混合高斯曲率的陶瓷折紙結構[22]
 
 
  圖9  4D打印三浦折疊結構的陶瓷[22]
 
  總的來說,4D打印技術雖然取得了一定的進步,但目前仍存在以下幾個問題:
  (1)4D打印智能構件尚處于演示階段,大多數結構只能用于實驗室展示,缺乏智能構件的設計理論與方法體系,未能將微觀變形與宏觀性能改變相結合,未能建立4D打印智能構件形狀-性能-功能一體化可控/自主變化的方法,4D打印智能構件形狀、性能、功能的時空變化缺乏理論模擬、仿真與預測等技術手段。
  (2)4D打印材料體系匱乏,缺乏滿足應用需求的智能材料體系,材料工藝匹配性的研究欠缺,尚無復雜智能構件的有效制造方法。
  (3)4D打印構件變形量小、響應速度慢,無法滿足功能構件可控/自主變化的需求,且常規的構件評價方法大多注重力學性能,而智能構件具有自適應變化特性,其驗證方法區別于常規構件,尚無有效的評價方法與集成驗證體系。
  3  4D打印技術的應用前景
  4D打印在航空航天、生物醫療、汽車、柔性機器人等領域都具有廣泛的應用前景。
  3.1  航空航天領域
  在航空航天領域,單一的機翼形狀并不能滿足飛機在各種飛行狀態下的需求,而變形機翼飛機能隨著外界環境變化,柔順、平滑、自主地不斷改變外形,以適應不同飛行狀態的空氣動力學需求,保持飛行過程中的性能最優。2017年,歐盟委員會資助了一項為期三年、總投資近四億歐元的“智能變形與傳感技術”項目,由法國國家理工學院、法國宇航院、意大利米蘭理工大學等十多家大學和研究機構聯合承擔,目前該研究團隊建造了一個近乎全尺寸且結合形狀記憶合金與壓電作動器的“電活性”機翼翼段,對智能變形機翼的進展起到了巨大的推動作用。美國NASA推進了一個名為“翼展自適應機翼”的項目,放棄了傳統液壓驅動變形的方式,采用通電加熱記憶合金以驅動機翼變形,在飛行過程中,該機翼兩端可在向上和向下70°的范圍內折疊,且重量比傳統液壓系統輕80%。
  智能變形構件在航空航天領域的另一個典型應用就是可變形衛星天線。利用4D打印形狀記憶合金天線,在發射人造衛星之前,將拋物面天線折疊起來裝入衛星體內,火箭升空將人造衛星送至預定軌道后,太陽輻射會導致升溫,折疊的衛星天線自然展開,大大減少了所需機械部件的數量和重量,降低衛星發射的體積和重量。此外,利用4D打印太陽能陣列面板,在發射之前處于占用空間小的折疊狀態,發射到太空后受熱自動展開,既降低了空間占用率,又節約了能耗。
  3.2  生物醫療領域
  在生物醫療領域,利用4D打印技術可制備醫療支架,在植入人體前對其進行變形處理,使之體積最小;在植入人體后,通過施加一定的刺激使其恢復設定的形狀以發揮功能,這樣可最大程度地減小患者的傷口面積。Miao等[23]利用光固化新型可再生大豆油環氧丙烯酸酯制備了具有高生物相容性的支架,不僅能促進多能人骨髓間充質干細胞的生長,而且能在-18 ℃維持折疊的形態,并在人體正常體溫(37 ℃)時恢復到初始狀態(圖10)。Wei等[24]通過直寫技術打印了Fe3O4/PLA形狀記憶納米復合材料支架,可在使用前進行折疊以減小尺寸,通過磁場進去驅動,當其置于交變磁場中時,折疊的支架能自行擴張,整個過程僅需10 s。
 
 
  圖10   光固化制備大豆油支架材料的變形圖[23]
  俄羅斯國立大學Senatov等[25]實現了熱塑性的羥基磷灰石(HA)/聚乳酸(PLA)形狀記憶復合材料的3D打印,制備了能用于骨缺損的自適應性支架。Hendrikson等[26]利用形狀記憶聚氨酯制備了不同孔隙結構的支架(圖11),發現該支架在恢復初始形狀的過程中會帶動接種在上面的細胞發生形態的改變,進一步可誘導細胞生長,這種支架在人體骨、肌肉、心血管等組織再生中具有很大的應用潛力。此外,利用3D打印Ni-Ti形狀記憶合金接骨器,在手術時無需外加螺絲固定,減輕了患者的二次損傷,不僅可將兩段斷骨固定,而且在恢復原形狀的過程中會產生壓縮力,迫使斷骨接合在一起[27]。
 
 
  圖11  熔融沉積制備不同孔隙結構的培養支架[26]
 
  3.3  汽車工程領域
  在汽車領域,利用形狀記憶合金制備的輪胎,可根據路面的情況發生形變,并迅速恢復到原狀,它能適應不同的地形和路況,且不需充氣、也不會發生爆胎,具有更高的舒適性與安全性。利用記憶合金彈簧制備的記憶合金節溫器,在特定的溫度范圍內能控制循環水冷卻系統的開閉,以保證汽車發動機的使用效率最高[28]。利用智能材料制造可變的汽車外形,比如可調節的天窗和擾流板,使駕駛者能通過控制氣流進而改進車輛的空氣動力學結構,提升操控性能。
  3.4   柔性機器人領域
  柔性機器人相比于傳統的由電機、活塞、關節、鉸鏈等組成的機器人更加輕便靈活,可根據實際需要靈活地改變自身的尺寸和形狀,并加入更復雜的作業中,具有更高的安全性和環境相容性。因此,柔性機器人在醫療機器人和仿生機器人等領域有著巨大的應用價值和前景[29]。Ge等[30]通過4D打印多重形狀記憶聚合物制備了多種仿生機械手結構,在熱驅動下可成功實現螺絲釘的抓取和釋放(圖12);還利用形狀記憶聚合物纖維和彈性基體制備了熱驅動的折紙結構,聚合物纖維在一定的溫度范圍內具有形狀記憶效應,受熱刺激從而帶動整個結構發生折疊,該研究對于4D打印自組裝系統具有重要的意義[31]。López-Valdeolivas等[32]利用4D打印液晶彈性體制備了熱驅動的具有軟體機器人功能的驅動器,能在溫度刺激下進行快速響應(圖13),相對于常規的薄片形液晶彈性體驅動力更大、形狀結構更復雜。
 
 
  圖12  光固化制備仿生機械手抓取螺絲釘的演示圖[30]
 
 
  圖13   直寫技術制備液晶彈性體在不同溫度下的變形圖[32]
 
  4  4D打印技術的未來發展與挑戰
  針對上述4D打印中存在的問題,提出以下幾項未來需要著重研究的關鍵技術:
  (1)智能構件的建模、功能預測及優化調控。智能材料在提供有限的變形、變特性前提下,通過結構主動設計、仿生設計、位移放大、提升其變化功能。建立智能構件的設計與理論體系,實現宏觀性能、功能變化的調控。將智能構件基礎設計理論應用于模擬仿真軟件,實現對智能構件形狀、性能、功能時空變化的預測。
  (2)智能材料與成形設備。目前能用于4D打印的材料較少,急需開發多種適用于4D打印技術的智能材料,使激勵響應的形式多樣化,同時提高現有4D打印材料的性能。此外,需研發適用于4D打印的設備,由于單一材料的變形能力有限,未來將發展多種材料協調變形的4D打印結構。因此,4D打印設備也應該朝著多材料、高精度、大型化的方向同步發展。
  (3)智能材料或非智能材料與制作工藝的匹配性。智能材料經過制造工藝成形構件后,其變形、變性、變功能特性無法達到預期值,在制造過程中其性能可能有所損耗。比如形狀記憶合金在激光選區熔化成形后,是否還具有記憶性能、記憶性能與傳統制造方法有無變化、是否需進行后處理才能獲得記憶性能、是否所有的形狀記憶合金都可采用4D打印來制備、激光選區熔化成形的各向異性和孔隙率等是否會對形狀記憶性能產生影響,這些都是有待解決的問題。
  (4)智能構件的功能實現與評價方法。智能構件具有自適應變化特性,其驗證方法區別于常規構件,但目前尚無有效的評價方法與集成驗證體系。評價智能構件的質量需通過尺寸精度、功能特性、力學性能等多方面因素的考量,故應當建立針對于智能構件的有效評價體系。
  5  展望
  4D打印技術研究趨于熱點,但應面向重大應用需求,以目標為牽引,實現工程應用導向的智能構件。首先,功能導向與應用導向設計,這二者應該螺旋式發展,相互促進與提升,瞄準最終4D打印構件功能提升的目標。雖然智能構件的應用潛力巨大,但就現有技術來說,將智能構件運用在如變形機翼等領域,還受到隱身性、穩定性、輕便性等諸多因素的限制。盡管如此,并不意味著智能構件的發展就止步不前了。某些應用對智能構件的要求不高,研究者們可從這些應用入手,先滿足較低的使用要求,再進一步地改進材料體系、制備工藝,最終推動智能構件向高性能發展。其次,4D打印所用的材料應具備良好的工藝匹配性,重點開發適應工藝的新材料,在保證材料滿足4D打印工藝過程要求的同時,使打印出的制件具備變形、變性、變功能的特征。最后,4D打印智能構件的評價與驗證應結合應用單位開展,建立各類測試評價標準,這也和前面所談到的以應用為導向推進4D打印發展相一致。所謂的4D打印,不應只是一個新奇的概念型物品,而應該是在某個領域能具體發揮作用的實體,需結合實際應用單位對使用構件的要求及應用場合,給出智能構件的評價標準細則。
  參考文獻:(略)

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