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3D打印

4D打印是什么概念

时间:2017-01-04 23:50:06   作者:   来源:   阅读:100   评论:0
    4D打印是指用可编程物质(通常为智能复合材料)作为打印材料,通过3D 打印的方式打印(制造)出三维物体。该物体能随着时间推移,在预定的激励或刺激(如遇水、冷却或者通电、光照、加热、加压)下,自我变换形状、物理属性(如结构、形态、体积、密度、色彩、亮度、弹性、硬度、导电性、电磁特性和光学特性等)或功能等。

4D打印是什么概念

    与传统的制造方式相比,4D打印除了拥有3D打印的一些主要优势外,还具备很多其他重要特性。    首先,它能直接把设计以编程的方式内置到打印材料当中,使物体在打印后,从一种形态变成另一种形态,为物体提供了更好的设计自由度,实现了物体的自我变化和制造。其次,它能将多种可能的修正要素预设在打印材料的方案中,让物体在打印成型后,根据人们的想法驱动物体实现自我变形或对其完善和修正。第三,它能在进一步简化物体生产制造过程的同时,使打印出的物体先具备极为的简单形状、结构和功能,然后通过外部激励或刺激,让它再变化为所需要的复杂的形状、结构和功能。第四,它能使部件与物体本身结构的难易程度在制作时变得不再那么重要,并可在其中嵌入驱动、逻辑和感知等能力,让物体变形组装时无需设置额外的设备,大大减少了人力、物力和时间等成本。第五,它能激发工程师和设计人员的想象力,并设计出多种多功能的动态物体,之后再进行物质编程进行打印制造,促进了“物质程序化”这一造物方式成为现实。最后,它能通过更有效的编程设计,将打印物体的数字文件由互联网发送到世界任何地点,克服了物体生产制造的空间限制,更好地实现了多样化物体的全球化数字制造。


一、4D打印的发展现状

    正因为具有上述特性,4D打印自被提出以来,迅速得到了全球广泛的关注,展示了它在工业、建筑、航天、医疗、艺术、娱乐、服装、军事等诸多领域巨大的应用潜力,并在世界很多国家都取得了十分重要的进展。

    作为开山鼻祖,美国这几年始终致力于4D打印的研究和应用。其很多高校、科研院所和公司企业,都在对4D打印进行广泛和深入的开发,

    有了很多令人瞩目的重要成果。麻省理工学院的自动组装实验室,继2013年3月成功地把3D打印的绳子放置在水中,使其自我弯折成“MIT”(麻省理工学院的英文缩写)后,2014年1月又实现了让“MIT”自动变成“SAL”(其自动组装实验室的英文缩写),并使打印出的一块平板,按事先设计好的组装方案形变为了一个立方体;2014年11月,它还实现了让更多材质,比如木头、碳纤维、橡胶/塑料等一些材料拥有“自行组装”的特性;2015年1月,该实验室曾利用模型设计软件设定的时间和组合样式,让连接在一起的2279块以3D打印方式打印出来的三角形模块,在水中慢慢自动合并变形成了一件镂空的4D连衣裙,这种裙子会根据穿戴者的型体自我调整、变化甚至造型,一定程度解决了“量体裁衣”的问题;不久,该实验室又打印出了世界上第一双4D打印鞋子,它可依照人脚的形状和大小动态调节,而且富有弹性的材料可让制鞋的成本缩减到最小。2015年6月,西北大学国际纳米技术研究所在纳米级4D打印机研制方面跨出了一大步,使打印出来的对象可根据纳米材料上的编码信息,进行转换或者变形并执行若干其它功能,从而促进了智能复合材料的开发和拓展了4D打印的应用。

    2015年10月,乔治亚技术学院和新加坡科技大学,联合开发出了一种对热量敏感的形状记忆高分子敏感4D打印材料,它与其他不同材料集合后打印出的物体,在温度发生变化时,能按照程序改变成另一种形状;例如,把一个打印出的细长片插入锁的钥匙孔中,它立即就能根据温度在孔中伸缩变形和硬化,预示着有可能变成一把真正的钥匙---如此以来,其外形就可能有着视使用环境不同而改变的特性,使这种材料有望在无人航空器和潜水器以及医疗器械、人体器官支架中使用。2015年11月,哈佛大学刘易斯研究团队,把从木浆中提取的纤维素纤维与丙烯酰胺水凝胶(遇水会膨胀扩大的一种胶状物)混合在一起,加入荧光染料后制成了一种新型4D打印材料,它比此前麻省理工学院由刚性和柔性材料组合的打印材料性能更好,有利于编程制作复杂物体,因为它包含许多微小纤维的胶状物质,硬度及水溶性都能根据不同排列方式发生变化,在“编码”后将打印出的物体变为更加复杂的形状---两朵形状一样的花,它们被浸没到水里之后,五个花瓣卷曲的方向不同,外形和色彩都与真正的兰花非常接近;该团队现正在探索4D打印在医学植入等方面的潜在应用,包括最终培育出新器官的组织和受损组织的替代品---它们先像一张平板纸一样被打印出来,然后自行变成人们需要的不同形状,并且这种打印材料还能进一步被改进,以便使它可应对不同的环境变化,让打印出的物体根据冷、热、电流或生物情况“随机应变”。2015年12月,美国科技巨头惠普公司宣布,在推动4D打印机研发的同时,它开发了拥有4D打印的一种微流控材料,这种材料具有特定的导电属性,可用于新型电子器件的4D打印制作。

    除美国外,其他国家在4D 打印领域的研发也在不断向前推进。2014年1月,新加坡技术与设计大学联合美国科罗拉多大学波德分校,将

    拥有形状记忆能力的聚合纤维混入传统3D打印所使用的复合材料中,制造出可以像“变形金刚”一样变换出各种形状的新型智能复合材料。

    2014年3月,西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室开发出了形状记忆聚合物,它具有形状记忆功能,只要通过调节环境温度,其智

     能结构就会随着时间发生形状或结构的变化,从而能通过4D打印,把它用于微创手术器械多自由度操作臂的制造中。2015年4月,澳大利亚卧龙岗大学的科研人员开发出一款兼容4D打印的水凝胶,它材质坚硬而且能根据水温不断改变形状,用它打印出的一个水阀,能根据水温自动调节粗细来实时改变通水量,未来可能在城市水网改造、医学器官再造和航天器等方面发挥作用。2015年10月,以色列耶路撒冷希伯来大学的研究人员,将4D打印引入到了柔性电子领域,同时还用一台PLA 3D打印机,实现了对形状记忆聚合物的打印,它能以比通常使用的3D打印机更高的分辨率打印出物体。2016年3月,德国汽车制造商宝马公司尝试将4D打印用于汽车零部件制造,打印车轮的一种柔性覆盖板,它能根据环境调整大小,发挥了非常出色的空气动力学性能。今年上半年,媒体还陆续报道了德国开发出了一款专门用于4D打印的打印机,澳大利亚、日本和欧洲一些国家也在商业性的4D打印机和智能复合材料方面取得了不同程度的进展。


二、4D打印的主要问题

    根据发展现状,总体分析看,4D打印迄今所取得的成果都比较初级,还存在很多问题需要解决,特别是在以下四个方面。

    首先,4D打印缺少合适的可编程或智能复合材料。现在4D打印采用的材料还比较“生硬”,种类也太少,难以将设计、尤其是复杂一些的设计预先编程到打印过程中,因而最终折叠或扭曲成的物体形状和功能都比较简单,基本是字母型物体或是简单几何造型的物体,而且物体成形花费时间较长,机械强度不够,难以具备实用的一些功能。况且,4D打印的环境或刺激物(催化剂或能量)类型有限,材料大都只能在水和温度的激励下,由一种形状变成另一种形状,激励类型不能满足实际应用需要。

    其次,4D打印编程设计难以适应复杂的物体制造。目前的4D打印,其设计实现的大都是在结构上不连贯的条状物体,或者在结构上看似分离的片状物体,这样的物体通过被水刺激后,依靠那些间断处的折叠或扭曲,完成从一维到二维或者从两维到三维的自我组装。而且,编程设计主要是对结构较为简单的物体,只能让物体完成一次自我制造,基本不能在设计时一次嵌入几种造型,难以实现让物体由一种形状到另一种形状后,还能在需要时再变到第三种形状。

    第三,4D打印的物体其形状不能实现可逆的变化。目前的4D打印制作出的物体,基本是先从打印最初比较简单的造型,在外界激励下变为复杂的造型,如线状或片状(平面状)造型变到某些几何造型,而不能使物体再在外界激励下变回到打印最初的形状(如线状或片状),这就限制了4D 打印在特定情况的应用,比如在运输、保管等场合,有时还需要让打印物体回到激励前的那种简单形状。

    最后,4D打印缺少专用的、实用的打印机,特别是商用化的打印机。这几年,由于4D打印在初创时代,4D打印物体过程中使用的基本是3D打印机,这不能较好地体现出4D打印的理念,满足4D打印自我制造的需要,而且打印机在规模、精度、可靠性和经济性等方面的要求也都不

够,难以在较为大型的制造业和工程上推广应用,比如在汽车、飞机、舰船制造等领域以及建筑、伪装防护工程等方面,4D打印尚难完成相关零件或部件的制作。


三、4D 打印的未来发展

    4D打印诞生至今,不过短短的三年光景,其研究和发展只能说是刚刚开始,应用也尚处于起步阶段,在前进的道路上还需要克服很多障碍。不过,由于它将对传统物体的结构设计与制造带来非常深远的影响,所以未来应该进行大力研究和开发,尤其是在以下这几个方面。

    一是打印材料,要开发适合4D 打印的新型材料特别是智能复合材料。比如,具有传感、反馈、信息识别与积累等特性,具备自我诊断、自我修复和超强适应能力,并能进行判断和适当处理的功能材料;能感受声、光、热、力等外部刺激并产生快速响应(甚至是对时间响应)的智能材料;具有形状记忆效应,能自如地伸缩变形的记忆复合材料;可在电场作用下发生形变,且随之输出电压和电流信号,具有良好驱动性能和传感性能的电活性聚合物材料;能感应压力或结构变化,判断并进行错误校正以达到自我修复作用的自愈合或柔性复合材料。

    二是设计软件,要为4D打印研发具有良好适应性的计算机编程设计软件。比如,适应物体复杂造型设计或复杂功能要求的软件;能更好地

    将材料变形等要素,按照物体形状和用途等要求内置到材料中,并嵌入逻辑功能的软件;可用于设计物体多尺度、多元素、动态化需要的软件;能对材料三维像素进行编程并与其通信的软件;能响应物体处于不同状态或环境的软件;能按照物体的造型要求,对不同材料进行排列和组合的软件;能将多种设计内置到材料,并实现物体多次自我制造或物体的可逆变形(变回最初形状)的软件。

    三是打印机,制造专为4D 打印所用的打印机。比如,能更好“领会”和实现4D打印意图,更好适应打印环境和要求的打印机;灵活性、可靠性、精确性都很高,操控方便的打印机;具备一定规模,能满足大型制造的商业型打印机;能深入到纳米尺度,为医学等特殊行业所用的打印机。


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