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4D打印技术的发展及应用前景

     与3D打印相比,4D打印增加了一个可变维度,其核心是材料自组  装,即在3D打印过程中,在预先设定的部位内置入智能材料。打印完成后,将产品置于特定的环境中,智能材料在外界环境的作用下发生物理或化学变化,导致产品形状、强度等发生改变,最终按照产品设计,折叠成相应形状。

    4D打印技术更多地依赖材料,而非打印技术。它所需要的并非一般的普通材料,而是带有记忆功能的智能材料,是一种能够感知外部刺激,并能够通过判断而进行自我变形、组  装的新型功能材料。该材料不仅具备可打印性,还要具有传感功能、反馈功能、信息识别与积累功能、响应功能、自我变形能力、自我组  装能力、自我诊断能力、自我修复能力和超强适应能力,以及快速响应的变形组  装能力。现阶段,4D打印所需要的材料一般包括电活性聚合物、形状记忆材料、压电材料、电磁流变体、磁致伸缩材料等。除了对材料要求较高以外,4D打印还需要具备触发智能材料自我改变的“催化剂”。根据不同的打印材料,这一“催化剂”可以是水,也有可能是光、热、声音、震动、气体等,当触发介质发生变化时,4D打印材料会自动响应,改变形态。
   
   美国研究机构将4D打印技术研究的热点和重点集中在智能材料领域。美国各大学的硏究机构纷纷参与4D打印智能材料的研发。   
   美国哈佛大学工程与应用科学学院、匹兹堡大学斯旺森工程学院、伊利诺伊大学的研究人员共同运用其在纳米和微观层面操纵材料的技术能力与研究优势,研究出可以随着时间推移修改结构的仿生复合材料。这种材料能够根据外界刺激,重新调整形状、性能或功能,具有自适应、灵活轻盈、坚固等特点,而不是静态或简单地改变形状的材料,这也为生产新一代智能传感器、涂料、纺织品及结构件开辟了新途径。
    美国佐治亚理工学院和新加坡科技与设计大学的研究人员共同研发了可制造出由组件自行折叠形成的3D物体。这些组件可以压扁或卷成管状,并能以准确定时的方式对温度、湿度或光线等刺激做出反应,从而形成立体结构。这项研究成果利用多种不同的智能形状记忆聚合物材料,按照设计好的模式制作出自折叠结构。

   4D打印可以实现由-种三维结构变形成另-种三维结构。这种结构的可变化也为4D打印技术带来广阔的应用前景,例如,4D打印有利于新型医疗植入物的制造。对于心  脏支架而言,如果采用4D打印技术,将不再需要给病人做开胸手术,可通过血液循环系统注射携带设计方案的智能材料,到达心  脏指定部位后自我组  装成支架;

    4D 打印生产的武器装备可根据环境和攻击目标而优化武器攻击性能,从而提高作战效能。美国陆军和海军已经考虑采用4D打印技术制造军事装备零部件,以减少因运输和储存带来的巨大成本和损耗,启动具有适应各种地形的车辆研发制造;4D打印可使智能材料感知外光的变化,自动实现与周围环境融为一体,从而改善伪装效果,设计生产“自适应伪装作战服”。该作战服如果成功,则具有以下三个方面的典型特色:(1)隐身功能,该服装能在不同的环境下自由变换色彩,实现士兵的自适应隐身;(2)适穿功能,根据温度的变化自动调节服装厚度和透气性,实现士兵的自适应舒适性;(3)防弹功能,根据所受外力自动调节软服装外围硬度,平时穿着柔软如织,遇子  弹袭击坚硬如钢,实现士兵的自适应保护。

    大型军用构建制造的成本控制一直是个难题,然而利用4D打印技术可以大为改善,我们可以控制智能材料的关键部位敏感部位,把大型构件设计成折叠状,然后利用3D打印机得到半成品,通过特殊的参数刺激控制来实现大型军用构件的自动展开。例如将4D打印技术应用于军用人造卫星,通过该技术的自动展开和组  装功能快速成型帆板和天线等大型构件,将大大减少机械部件的数量和重量,降低发射军用卫星所需成本。
      试想战机的各个部件若用4D打印技术制造,则何惧敌人炮火攻击,损坏的部件会快速被生长出的新部件所取代,完好如初。
   
   预计在2019年,全球4D打印市场规模将达到6300万美元,2025年将上升至5.3亿美元。其中,预计2019年~2025年亚太地区的复合年增长率最高,将会达到51.75%。从企业竞争态势看,全球最大的二维/三维设计和工程软件公司欧特克(Autodesk)、3DFSystems等在4D打印市场上已有布局,且处于领先位置。其中,欧特克(Autodesk)及Stratasys参与了麻省理工学院的4D打研发项目,欧特克向麻省理工学院提供了4D打印辅助软件Cyborg,Stratasys正在开发不同硬度及弹性的新型材料。

    随着4D打印的出现,有望推动个性化订制向私人化工厂发展。4D打印技术出现后,其所改变的将不再只是个性化订制问题,而是让每个人实现自定义工厂、自主化生产成为可能。另外,当前以商品或设备整体销售为主的商业模式将得以改变,消费者所购买的将不再是已有的固态产品,而是根据自己的需求购买相应的经4D打印的关键部件,通过外部环境的变化实现物件的动态调整。







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智能材料是怎么定义的,需要研发还是已经有现成的?
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  • 飞鸟 有些智能材料已经有现成的了,比如压电陶瓷材料,形状记忆合金材料,磁流变材料,电流变材料等材料,但还有些智能材料是需要研发的,这得根据不同的需要进行研发,比如研究一种随时间变化而变化结构的材料,随压力不同而改变强度的材料等等,这些虽然是有点科幻,但都应该是研究的方向
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  • 我也说一句
有些材料对物理或化学因素比较敏感这我知道,但要让这些材料作出相应的反应,甚至记忆形变,还是感到有点不可思议,
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这个其实不难理解,这种材料只是在某种激励下才会由一种状态变成另外一种状态,伴随着状态的变化,其形状也随之变化,当激励消失后,又会恢复到原来的形状,这种形状的变化不会是复杂形状的变化,只是些相对简单的变化。最简单的情况就是可以把弹簧理解为具有记忆性,虽然这有些不严谨,但有助于理解和想象。
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  • 峰峰 这样说得一直施加相应的激励才能使材料保持形变?这样在使用中会不会不方便
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  • 我也说一句
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