蔣心怡，張 曌，李嘉寧，張春雨，李傳杰，劉章燕，潘 宇，劉青蔚，李亞江

（1.山東建筑大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250100；2.山東中杰特種裝備股份有限公司，山東菏澤 274000）

0 前言

伴隨科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，4D 打印技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，該概念由美國(guó)麻省理工Tibbits[1]提出；4D 打印技術(shù)將相關(guān)材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行整合，并使其形狀和結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，有效控制產(chǎn)品的自動(dòng)組裝，簡(jiǎn)化生產(chǎn)制造過(guò)程，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造和裝配的一體化融合[2，3]。4D 打印技術(shù)的實(shí)現(xiàn)來(lái)源于仿生“智能材料”概念，鑒于4D 打印技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)越性，相關(guān)技術(shù)引起科研工作者極大關(guān)注[4-6]。

Tibbits 等人[1]提出4D 打印技術(shù)與工業(yè)建筑融合的可能，該技術(shù)的應(yīng)用使得管道可根據(jù)實(shí)時(shí)變化的外部條件進(jìn)行自主組裝及調(diào)整，降低管道鋪設(shè)的難度與成本。近年來(lái)，研究人員發(fā)現(xiàn)4D 打印可用于提高建筑氣候適應(yīng)性，基于熱響應(yīng)形狀記憶復(fù)合材料進(jìn)行的建筑外觀設(shè)計(jì)使建筑形狀隨外界溫度的適時(shí)變化成為可能[7]。美國(guó)使用3D 打印技術(shù)創(chuàng)建具有自發(fā)性和順序形狀恢復(fù)能力的形狀記憶聚合物（SMP），表明SMP 組件具有分配熱力學(xué)特性分布的空間變化，可依據(jù)熱刺激按照預(yù)設(shè)的形變順序做出相應(yīng)反應(yīng)[8]。材料在打印完畢后憑借自身特殊性能可根據(jù)外界刺激進(jìn)行自主變化，即在3D 的基礎(chǔ)上增添一個(gè)新的維度實(shí)現(xiàn)4D 打印。英國(guó)使用臺(tái)式3D 打印機(jī)通過(guò)逐層打印的方式制備零部件，試件浸入水中后從平面2D 轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ⅲw3D 結(jié)構(gòu)，并通過(guò)脫水過(guò)程恢復(fù)其原始形貌[9]。本文針對(duì)聚合物和復(fù)合材料等先進(jìn)材料進(jìn)行分析，對(duì)現(xiàn)階段4D 打印技術(shù)的研究及發(fā)展進(jìn)行總結(jié)，綜合分析4D 打印技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀。

1 4D 打印應(yīng)用材料

1.1 復(fù)合材料

復(fù)合材料種類繁多、成分復(fù)雜，只有少部分可用于4D 打印技術(shù)。智能復(fù)合材料是一類能感知環(huán)境變化并自主執(zhí)行相應(yīng)指令的材料，同時(shí)具備傳感（熱、光、電等）、反饋、信息識(shí)別與積累、自診斷及修復(fù)、響應(yīng)與調(diào)節(jié)等功能，是4D 打印的理想材料。纖維復(fù)合材料是4D 打印應(yīng)用中的重要材料之一，具有短纖維和連續(xù)纖維兩種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。哈佛大學(xué)Lewis 教授團(tuán)隊(duì)以短纖維混合水凝膠為原材料，通過(guò)擠出剪切作用指定纖維取向，制造可控變形結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1 所示[10]。

圖1 短纖維水凝膠混合物打印與吸水膨脹的變形機(jī)理[10]

蘇黎世理工Studart 教授[11]以水凝膠為基體通過(guò)磁場(chǎng)控制短纖維分布方向，制造可控變形結(jié)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)纖維分布方向的控制可簡(jiǎn)化4D 打印工藝，便于定量控制。連續(xù)纖維復(fù)合材料具有易控制取向的特點(diǎn)，通過(guò)嵌入連續(xù)纖維使復(fù)合材料產(chǎn)生可控變形；將纖維走向設(shè)計(jì)應(yīng)用于4D 打印技術(shù)中利于變形設(shè)計(jì)，提高精度。研究人員運(yùn)用4D 打印制備嵌入銀線/液晶高彈體的多層復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)電流加熱推動(dòng)變形的結(jié)構(gòu)，該方法使驅(qū)動(dòng)變形一體化，為研究人員提供新的研究思路。

1.2 形狀記憶聚合物（SMP）

SMP 又稱形狀記憶高分子材料，因具有高應(yīng)變恢復(fù)性、低成本、編程程序簡(jiǎn)單及恢復(fù)過(guò)程可控等優(yōu)點(diǎn)在4D 打印應(yīng)用中占有重要地位，廣泛應(yīng)用于航空航天結(jié)構(gòu)組件[12]。根據(jù)刺激相應(yīng)機(jī)制SMP可分為：熱致型、電致型、光致型、化學(xué)感應(yīng)型等。根據(jù)記憶形狀數(shù)量可以分為：（1）具有一種穩(wěn)定和臨時(shí)形狀的單向（或雙向）SMP；（2）有（n-1）種臨時(shí)形狀且有一種穩(wěn)定形狀的多向（n 向）SMP；（3）能在臨時(shí)形狀之間進(jìn)行可逆轉(zhuǎn)換的雙向SMP。

對(duì)于SMP 在4D 打印技術(shù)中的形態(tài)轉(zhuǎn)化機(jī)制，Wu 等[13]人給出了在數(shù)字光學(xué)處理?xiàng)l件下的過(guò)程（見(jiàn)圖2 所示）：（1）用DLP 印刷圓形帶狀試樣，切一小縫隙（初始形狀）；（2）將鋼帶浸入超過(guò)Tg（玻璃化轉(zhuǎn)變溫度K/℃）約20℃的熱水浴中（設(shè)定溫度為T1）5min，并施加外力得到直條；（3）將變形后的試樣在室溫（約25℃）下快速浸入冷水（溫度設(shè)定為T2）中固定后去除外力；（4）將其放回?zé)崴『蠡謴?fù)初始形狀。

圖2 4D 打印過(guò)程中DLP 技術(shù)對(duì)SMP 折疊變形和恢復(fù)影響的示意圖[13]

2 4D 打印應(yīng)用

2.1 仿生4D 打印

Ge 等[14]提出新4D 打印方式，創(chuàng)建了基于高分辨率投影微立體光刻，利用光固化甲基丙烯酸酯的共聚物網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)可表征熱力學(xué)行為的成分，實(shí)現(xiàn)可控形狀記憶行為，對(duì)復(fù)雜非線性、適時(shí)變化等行為進(jìn)行高仿真計(jì)算的高分辨率（最大幾微米）多材料SMP 體系結(jié)構(gòu)。在圖3[14]中，編程后打開(kāi)/關(guān)閉一個(gè)已打印的閉合/打開(kāi)抓爪，加熱時(shí)觸發(fā)抓取/釋放物體功能。圖4 為抓取物體延時(shí)圖像，加熱激活的多材料結(jié)構(gòu)可用作藥物輸送系統(tǒng)中的微型夾具，結(jié)構(gòu)及工藝簡(jiǎn)明，可選取的加工材料種類豐富。仿生4D 打印，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為重要。Goo 等[15]通過(guò)研究開(kāi)發(fā)出一種有效的4D 打印方法，使用材料擠出型3D 打印機(jī)和無(wú)記憶功能的熱塑性聚合物實(shí)現(xiàn)打印，為單個(gè)熱塑性材料施加不同變形行為，編程打印路徑，在各向異性響應(yīng)熱刺激下產(chǎn)生不同的熱變形，4D 打印通過(guò)引起局部彎曲變形實(shí)現(xiàn)自組裝功能。

圖3 從印刷結(jié)構(gòu)到臨時(shí)形狀的形狀變化特征

圖4 用于舉升螺栓的逐步激活的智能夾具[14]

圖5[15]表明隨加熱時(shí)間增加產(chǎn)生的形狀變化，棒的一端在加熱7min 后克服自重產(chǎn)生變形，即下部區(qū)域長(zhǎng)度增加（橫向印刷）和上部區(qū)域長(zhǎng)度減?。v向印刷）直至卷成橢圓形（見(jiàn)圖5a 所示），變形程度與加熱時(shí)間成正比。圖5b 顯示三種不同的縱橫比打?。?：5，4：4，5：3）獲得的矩形條進(jìn)行15min 熱處理后的變形情況。

圖5 異類打印矩形條4D 打印

2.2 建筑領(lǐng)域

在建筑領(lǐng)域，4D 打印技術(shù)為建造橋梁、庇護(hù)所或任何類型裝置提供經(jīng)濟(jì)、有效的解決方案，實(shí)現(xiàn)建筑自組裝甚至受損后的自行修復(fù)。近年來(lái)，人們對(duì)建筑環(huán)境動(dòng)態(tài)氣候適應(yīng)性的興趣日益濃厚，旨在實(shí)現(xiàn)響應(yīng)式移動(dòng)建筑形式的工程動(dòng)態(tài)立面系統(tǒng)[16，17]。但這些立面通常結(jié)構(gòu)及算法復(fù)雜，制造/組裝過(guò)程所需費(fèi)用昂貴，此外，使用多機(jī)械連桿電磁電機(jī)會(huì)增加維護(hù)成本和能源消耗，運(yùn)行產(chǎn)生的噪聲/振動(dòng)影響室內(nèi)居住舒適性[18，19]。光照強(qiáng)度較高時(shí)建筑整體溫度的升高將增加建筑體對(duì)能源的需求[20]。4D 打印自成型建筑外殼采用雙向形狀記憶復(fù)合材料（TWSMC），基于材料變形連續(xù)機(jī)制實(shí)現(xiàn)自響應(yīng)形式變化，降低了立面系統(tǒng)的復(fù)雜性和能源消耗。

Fiorito 等人[21]、Kretzer[22]和Vazquez 等人[23]認(rèn)為這種新材料解決了建筑的環(huán)境適應(yīng)性及外觀設(shè)計(jì)的問(wèn)題。一些建筑設(shè)計(jì)受到生物的適應(yīng)化形態(tài)行為的啟發(fā)[24，25]。Yi 和Kim[26]進(jìn)行了SMA 驅(qū)動(dòng)適應(yīng)性建筑皮膚性能改進(jìn)研究，提出4D 打印TWSME 對(duì)適應(yīng)性建筑皮膚的有效性，4D 打印技術(shù)的應(yīng)用可減輕氣候?qū)κ覂?nèi)環(huán)境的擾動(dòng)。圖6[7]表明建筑外殼氣候適應(yīng)機(jī)制的設(shè)計(jì)概念：外部空氣溫度升高，面板向內(nèi)扣合，扇葉間縫隙寬度縮小，減少日光射入使建筑體溫度降低，隨溫度下降外表面呈凹形，扇葉縫隙寬度增大，允許適當(dāng)日光射入內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)建筑溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)。

圖6 建筑設(shè)計(jì)理念：4D 打印制造仿生自塑皮膚[7]

2.3 激光工程應(yīng)用

激光增材制造可生產(chǎn)復(fù)雜零部件并為合金材料的設(shè)計(jì)提供了巨大機(jī)會(huì)[27]。目前，應(yīng)用范圍相對(duì)廣泛的形狀記憶合金是Ni-Ti 合金，因出色的形狀記憶效應(yīng)和顯著的阻尼性能、抗腐蝕性、生物相容性和良好的力學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn)引起學(xué)者關(guān)注。Wang 等[28]交替使用兩組SLM 工藝參數(shù)生產(chǎn)層狀Ni-Ti SMA。樣品的轉(zhuǎn)變行為表明在冷卻過(guò)程中奧氏體在寬溫度范圍（130K）內(nèi)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，在室溫下微觀結(jié)構(gòu)由奧氏體和馬氏體組成，該樣品顯示出優(yōu)異的阻尼性能和Elinvar 效應(yīng)。圖7a[28]表明，隨著SLM 工藝參數(shù)的變化，固溶處理（1273K，2h）縮短所有樣品的轉(zhuǎn)化間隔，表明MTT變化可能是由Ni-Ti 比的改變引起，存在原因可能有：Ni 蒸發(fā)降低Ni-Ti 之間比值，O 通過(guò)吸附作用結(jié)合Ti 導(dǎo)致有效Ni-Ti 比增加，相對(duì)于兩個(gè)DSC 峰，結(jié)合兩組SLM參數(shù)生產(chǎn)的樣品觀察到寬正向轉(zhuǎn)化峰（見(jiàn)圖7b 所示），正向轉(zhuǎn)換從342 K（Ms）開(kāi)始，終止于211 K（Mf），在冷卻過(guò)程中，奧氏體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，奧氏體/馬氏體層結(jié)構(gòu)見(jiàn)EBSD 圖（圖7a）。

圖7a 中的黑色區(qū)域?qū)?yīng)馬氏體相，因馬氏體板尺寸細(xì)小，EBSD 表征無(wú)法捕獲清晰的菊池圖案。其中獨(dú)特微觀結(jié)構(gòu)由三個(gè)不同區(qū)域組成，區(qū)域A 具有粗大“類金剛石”晶粒，周圍材料具有較高的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度（A 區(qū)的黑色區(qū)域）。區(qū)域B 中存在“河流花樣”的細(xì)長(zhǎng)晶粒，區(qū)域C 中觀察到馬氏體區(qū)域由細(xì)奧氏體晶粒群分布組成。以反極坐標(biāo)圖的形式表示不同區(qū)域相對(duì)于織構(gòu)方向（BD）晶粒取向的統(tǒng)計(jì)分析，通過(guò)EBSD 像中的隨機(jī)顏色和反極圖確認(rèn)，見(jiàn)圖7b 所示。

圖7 用不同的SLM參數(shù)通過(guò)選擇性激光熔化生產(chǎn)的NiTi 樣品

3 展望

隨著新材料、成形加工工藝、軟件和機(jī)器人的不斷發(fā)展和完善，4D 打印技術(shù)將成為重要的工業(yè)發(fā)展方向。其具備的靈活性和自主控制性和精密性等獨(dú)特性能可在一定程度上降低所制備產(chǎn)品的能源及材料消耗，并在保證功能要求的同時(shí)完成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)制造。從藝術(shù)設(shè)計(jì)角度出發(fā)4D 打印技術(shù)能很好滿足外形設(shè)計(jì)需求和實(shí)際產(chǎn)業(yè)需要。4D打印材料主要為智能材料，可分為形狀記憶聚合物、形狀記憶合金等，基于先進(jìn)智能材料刺激響應(yīng)性，4D 打印技術(shù)在3D 打印的基礎(chǔ)上增添了一個(gè)新的維度，有利于裝配制造一體化，有效提升工作效率并節(jié)約成本，實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程智能化。目前該技術(shù)已用于仿生制造、建筑設(shè)計(jì)及激光加工等領(lǐng)域，理論研究相對(duì)較多，缺少更多實(shí)際的工程應(yīng)用，將該技術(shù)大規(guī)模運(yùn)用于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)將是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，在未來(lái)該技術(shù)仍有較大的發(fā)展空間。