4D打印—未来技术的先锋

李素丽，刘 伟，赵 峰

（陕西国防工业职业技术学院，陕西西安 710300）

4D打印—未来技术的先锋

李素丽，刘 伟，赵 峰

（陕西国防工业职业技术学院，陕西西安 710300）

4D打印技术是未来技术的先锋，主要原理是在3D打印技术基础上，以可变形材料作为驱动执行单元，利用材料的可变形特性，将成型构件的设计参数、成型工艺、变形行为和最终结构目标等信息设计到初始构型中。成型后利用外场激励介质刺激，通过弯曲、扭曲、膨胀等自我变形获得预设三维空间构型，是一种集成产品设计、制造、装配为一体的创新技术，即4D打印方法。本文主要探索4D打印的发展趋势以及变形机理，验证理论方法的正确性。

4D打印；可变形材料；微小构件；技术先锋

1　研究意义

以3D打印技术为典型代表的新型制造技术已成为引领未来制造业变革的重要技术之一，该技术有可能从根本上改变生产组织方式［1］。3D打印，是以CAD（计算机辅助设计）模型直接驱动、可以完成任意复杂结构的制造方法的总称。它的核心是数字化、智能化制造与材料科学的结合，主要特点是数字驱动的增材制造（Additive Manufacturing AM)。尽管3D打印设备能用塑料、金属粉末等材料打印出各式各样的物体，但其软肋是打印出来的物体仍需要组装，缺乏柔性和环境适应性。4D打印技术，就是在3D打印的基础上增加一个“时间”的维度，使被打印物体可以随着时间的推移而在形态上发生自我调整。从产品设计、制造、装配的角度重新审视3D打印技术，从设计制造规律及材料驱动变形机理上探索新的4D打印成型理论，为构建自变形、自重塑功能零部件与成型一体化工艺探索基础原理[2-5]。

4D打印直接将设计内置到物料当中，实现了复杂结构件的降维打印成型，成型后在宏观尺度上的自我重组装，简化了从设计理念到实物的造物过程，实现了产品设计、制造和装配的一体化融合。4D打印目前尚不成熟，还无法取代传统制造技术，但它能够创造出有适应能力的新产品，而且这项技术终将带来生物科学、材料科学、机器人、交通运输、艺术甚至太空探索领域的革命性变化，在我国尖端导弹武器以及月球车等军事、航天领域的发展前景颇为乐观，在小批量、个性化的生产模式上独具优势。目前，成型工艺、材料设计、装备制造等技术水平都是制约4D打印技术发展的主要障碍[6-10]。

2　国内外研究现状

所谓的“4D打印技术”，是一种能够自动变形的材料。把这种可自动变形的材料放入水中，它就能按照产品的设计自动折叠成相应的形状。这项技术由麻省理工学院的自组装实验室开发和明尼苏达州和以色列合资的一家3D打印机制造商斯特塔西有限公司合作开发。4D打印不但能够创造出有智慧、有适应能力的新事物，还可以彻底改变传统的工业打印甚至建筑行业。

Oxman等[1]于2011年最早提出一种变量特性快速原型制造技术，即VPRP（variable property rapid prototyping），利用材料的变形特性和不同材料的属性，通过逐层铺粉成型具有连续梯度的功能组件，成型件随时间推移可实现自我变形，体现了4D打印技术的最初思想。Ge Q等[2]利用活性形状记忆聚合物纤维的可编程和可变形特性，以弹性非金属材料为基体，活性形状记忆聚合物纤维为变形驱动单元，采用多喷头喷墨打印制作初始构型，成型件在外界应力激励驱动下发生弯曲、扭曲、膨胀变形，完成立体空心正方体模型的自我组装，实现了真正意义上的具有自我组装功能的4D打印。麻省理工学院Tibbits团队[3-6]基于非线性介质理论对变形材料的特性和变形机理进行研究，以“特殊墨水”作为“智能材料”，采用3D打印技术制作与水接触时具有自动膨胀功能结构。在4D打印配套软件开发方面，Autodesk公司开发出可用于自我组装和可编程的材料模拟软件[7]。目前，4D打印技术的研究处于起步阶段，国内未见报道。

3　微小构件熔滴4D打印成型机理和成型工艺探索

在成型可变形微小构件之初，应对其材料属性和结构特点进行系统分析。采用形状记忆合金成型微小构件时除了要求无缺陷和保证具有一定的力学性能外，还须保证形状记忆合金功能达到所需要求。因此，它比一般结构材料成型难，成型工艺所受限制也更多，这给形状记忆合金成型技术带来了很大的难度。由于形状记忆合金组织和力学性能对温度变化极为敏感，高温下对N、O、H的亲和力强，在成型过程中很容易吸收这些气体，在成型界面处形成脆性化合物。同时，在成型过程中为保持形状记忆效应，应防止马氏体相变，并设法控制热影响区大小，防止晶粒长大破坏母材的有序点阵结构而影响其形状记忆效应[8-12]。

形状记忆合金制备方法有提拉法、液态金属冷却定向凝固法和区域熔化液态金属冷却法等。目前，相对成熟的金属件3D打印技术主要有激光快速成型、电子束快速成型和微束等离子焊快速成型。激光快速成型最重要特点是热量集中，加热快冷却快热影响区小，进而影响金属相形成的均匀度。电子束快速成型的优点有能量密度高，热影响区小，变形小，生产率高等，但成型精度低。

3D成型工艺实现4D打印的2D降维制造。利用4D打印成型方法，采用微喷熔滴电磁约束沉积成型技术实现对血管支架快速制造，通过控制成型过程中供料方式、能量输入、工艺参数、环境特性以及成型温度控制等工艺参数，实现对血管支架控型空性制造成型，使其具有良好精度和质量。成型后在电磁激励下发生弯曲、扭曲、膨胀等自我变形最终达到预设三维空间构型，完成满足力学性能和和部分医学性能（如形状匹配、功能稳定性等）的血管支架的4D打印成型[13]。

4　结束语

4D打印颠覆传统的造物方式，它创造出智能化物体，是够神奇的。正如人的生产也随着生物生命科学的发展也发生巨变，如试管婴儿、克隆人等，但克隆人技术因为存在伦理约束而作罢。

有机构认为，4D打印不但能够创造出有智慧、有适应能力的新事物，还可以彻底改变传统的工业打印甚至建筑行业，家具可由它自己组装、地下管道由它自己在地下铺设，房子可以自动建造。而与之前3D打印概念相比，显然将具备更大的发展前景[14]。

［1］ Oxman N. Variable property rapid prototyping: Inspired by nature, where form is characterized by heterogeneous compositions, the paper presents a novel approach to layered manufacturing entitled variable property rapid prototyping［J］. Virtual and Physical Prototyping, 2011, 6（1）: 3-31.

［2］ Ge Q, Qi H J, Dunn M L. Active materials by four-dimension printing［J］. Applied Physics Letters, 2013, 103（13）: 131901.

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

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

［5］ Tibbits S. Design to Self-Assembly［J］. Architectural Design, 2012, 82（2）: 68-73.

［6］ Tibbits S. 4D Printing: Multi-Material Shape Change［J］. Architectural Design, 2014, 84（1）: 116-121.

［7］ Reilly M. The future will build itself［J］. New Scientist, 2013, 220（2942）: 28-30.

［8］ 徐祖耀等. 形状记忆材料［M］. 上海:上海交通大学出版社, 2000: 3-5.

［9］ Liu Y, Gall K, Dunn M L, et a1. Thermomechanics of shape memory polymer nanocomposites［J］. Mechanics of Materials, 2004, （10）: 929-940.

［10］ Lan X, Liu Y, Lv H, et al. Fiber reinforced shape-memory polymer composite and its application in a deployable hinge［J］. Smart Materials and Structures, 2009, 18（2）: 024002.

［11］ Lendlein A, Jiang H, Jünger O, et al. Light-induced shape-memory polymers［J］. Nature, 2005, 434（7035）: 879-882.

［12］ Lu H, Yin J, Leng J, et al. Comment on “Water-driven programmable polyurethane shape memory polymer: Demonstration and mechanism”［Appl. Phys. Lett. 86, 114105 （2005）］［J］. Applied physics letters, 2010, 97（5）: 056101-056101-2.

［13］ 冷劲松, 兰鑫, 刘彦菊, 等. 形状记忆聚合物复合材料及其在空间可展开结构中的应用［J］. 宇航学报, 2010, 31（4）: 950-956.

［14］ Krishnamoorti R, Vaia R A. Polymer nanocomposites［J］. Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics, 2007, 45（24）: 3252-3256.

［15］ Leng J, Lan X, Liu Y, et al. Shape-memory polymers and their composites: stimulus methods and applications［J］. Progress in Materials Science, 2011, 56（7）: 1077-1135.

［16］ Manjaiah M, Narendranath S, Basavarajappa S. Review on nonconventional machining of shape memory alloys［J］. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2014, 24（1）: 12-21.

［17］ 刘伟.3D打印熔滴沉积与传统制造相结合技术发展前景［J］.中国铸造装备与技术,2014（3）.

大吨位、外热风、水冷长炉龄冲天炉等铸造行业重大技术装备纳入国家《首台（套）重大技术装备推广应用指导目录（2015年第二版）》

为推动重大技术装备创新应用，今年2月，财政部、工业和信息化部、中国保监会联合印发《关于开展首台（套）重大技术装备保险补偿机制试点工作的通知》，开展首台（套）重大技术装备保险补偿机制试点工作。工信部负责制定《首台（套）重大技术装备推广应用指导目录》（以下简称《目录》），凡生产《目录》所列装备产品的制造企业均可自主投保首台（套）重大技术装备综合险。此保险补偿机制坚持“政府引导、市场化运作”原则，由保险公司针对重大技术装备特殊风险提供定制化首台（套）重大技术装备综合险，生产《目录》所列装备产品的制造企业可自主投保，中央财政对符合条件的投保企业保费适当补贴（补贴为总保费80%），保险公司承保产品质量风险和责任风险， 装备制造企业投保，装备使用方收益，利用财政资金杠杆，发挥保险风险保障功能，降低用户风险，加快首台（套）重大技术装备推广应用。

首台（套）重大技术装备是指经过创新，其品种、规格或技术参数等有重大突破，具有知识产权但尚未取得市场业绩的首台（套）或首批次的装备、系统和核心部件。工信部原《目录》较少涉及铸造行业重大技术装备，2015年工信部启动了《目录》修订工作，接到通知后中铸协积极组织相关企业和专家对铸造行业大吨位、外热风、水冷长炉龄冲天炉等重大技术装进行推荐。2015年10月29日，工信部正式发布了《首台（套）重大技术装备推广应用指导目录（2015年第二版）》，铸铁件生产用大吨位、外热风、水冷长炉龄冲天炉成套设备，高效智能压铸岛、清洁高效发电装备大型铸件等铸造行业重大技术装备新增列到《目录》中，必将提升铸造行业技术改造和创新的积极性，加快推进铸造行业首台（套）重大技术装备研究与应用。（中国铸造协会网）

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

院级课题“4D 打印成型创新技术探索（Gfy15-09）”

2015-06-10

稿件编号:1506-968

李素丽（1981—）女,讲师，主要研究机械模具设计及3D打印技术.