综述：4D打印技术进展！你想知道的4D打印这里都有！(2)

时间：2022-03-01 15:17 来源：南极熊作者：admin 阅读：次

热驱动的4D打印组件可以稳定地保持临时形状，并且可以通过控制温度来调整临时形状，使得组件具有不同的机械性能。Tao等人利用热驱动形状记忆聚合物的临时可调形状的性质，结合超材料的微观结构设计，创造出形状可调、弹性模量变化显著、可重复使用的智能多稳态超材料。这种新材料可用于许多领域，如软机器人和变形的翅膀。Liu等人还开发了一种基于热驱动形状记忆聚合物的零泊松比超材料，它可以感知温度变化并改变机械性能。Hassanin等人将4D打印技术与超弹性/形状记忆Ni-Ti负泊松比结构相结合，利用粉末床熔合系统的4D打印工艺制造了优化的Ni-Ti膨胀结构。Bodaghi研究了基于FDM打印技术的自折叠和自缠绕平面自适应超材料，它可以在多个维度上变换形状。Momeni等人用聚乳酸材料研究了植物的仿生智能风电叶片。该结构只需提供激励即可实现发电风机叶片的弯扭耦合变形，不需要使用传统的传感器、执行器和传动装置。这大大降低了控制的复杂性。实验结果表明，4D打印仿生叶片比平面叶片具有更好的气动性能。热驱动4D打印还有很多应用，可点击文末链接查看。

4D仿真智能叶片

温度控制直接影响热驱动4D打印元件的响应效果和响应时间。环境温度的变化很难在短时间内完成，这对快速实现元器件的响应过程是一个挑战。

3.磁驱动4D打印

磁驱动4D打印技术是通过磁场激活并控制4D打印部件。主要有两种实现方式：直接响应和间接响应。直接响应法是将混合有磁性颗粒的基质固定成临时形状，并将其置于磁场中。磁场改变了磁性颗粒中的磁畴。当再次施加相同的磁场时，基体中的磁性颗粒的磁场会对施加的磁场做出响应，从而实现形状记忆。间接响应法是基于磁性颗粒在磁场中的磁热效应，利用热量驱动元件，该方法是热驱动方法的变体。

Caputo等人利用粘结剂喷射3D打印技术研究了Ni-Mn-Ga磁性形状记忆合金网状零件的增材制造。Zhu等人研究了含有软磁铁颗粒的复合打印油墨材料。这种材料是由聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为柔性基体成分制成的，以实现形状恢复功能，用PDMS/Fe墨水制成的蝴蝶样品的翅膀可以在外加磁场中快速拍动，变形过程在0.7s内完成。其响应速度远快于热驱动材料和水驱动材料，这表明了将其应用于磁响应器件的可能性。

仿生蝴蝶翅膀的变形过程

为了使样品在外加磁场中变形，Shinoda等人使用了一种分散有磁粉的紫外光固化凝胶材料。他们在加工过程中施加磁场，在固化部分产生磁各向异性。最后，他们制造了蠕虫型软驱和可以在窄范围内爬行的人造纤毛；除了磁性粒子，离子在磁场中运动的原理也被用来驱动4D打印组件。McCracken等人基于直接墨水书写(DIW)技术来控制水凝胶中的离子梯度，打印了一种模仿海洋生物的结构，并通过选择性地控制离子结合剂的价位产生可在局部磁场存在下激活的4D打印结构实现空间结构变化。磁驱动4D打印还有很多应用，可点击文末链接查看。

磁场中的4D打印组件模拟海洋生物的变形

无论是热驱还是水驱，都高度依赖外部环境，这在一定程度上限制了4D打印技术的发展。与热驱动法和水驱动法相比，磁力驱动对环境的依赖性更小，实现了特定的“远程控制”，诱导非接触式热变形。同时，由于磁场可以实现快速变化和转换，因此磁驱动的4D打印组件通常具有更高的响应速度。

4.电驱动4D打印

电驱动形状记忆效应主要是利用电流的电阻加热效应。通过嵌入具有电热效应的材料(如电热丝、导电填料等)。在该部件中，当加热材料被通电时，形状记忆效应被激活。这种驱动方式的优点是不需要改变外部环境温度，因此具有更高的加热效率和更快的响应速度。通过放置加热材料可以控制部件的局部变形。

基于FDM原理，Zeng等人利用碳纤维增强聚乳酸形状记忆复合材料(CFRSMPC)制造了4D打印元件。碳纤维既是增强材料，又是热源。测试结果表明，4D印刷CFRSMPC在75s内完成了电致形状记忆效应，试件的形状恢复率在95%以上，说明电阻加热方法是稳定可行的；基于电驱动的原理，Shao等人将银纳米线(Ag-NW)植入聚乳酸(PLA)中，制备了电驱动4D打印复合材料。Ag-NWS金属丝经多次拉伸和弯曲变形后仍具有良好的导电性。电驱动4D打印还有很多应用，可点击文末链接查看。

4D打印CFRSMPC板形恢复工艺

在寒冷的环境中抓取动作

5.光驱动4D打印

光驱动4D打印是指以光作为激发源来改变4D打印组件的结构或外观。Lendlein等人研究了含有肉桂基团的聚合物可以通过紫外线照射变形并固定成预定形状，例如拉长的薄膜和管、拱形或螺旋形。即使加热到50℃，变形也能保持较长时间的稳定。当它们暴露在不同的紫外光波长下时，它们可以在环境温度下恢复原来的形状。

变形过程

Amornkitbamrung等人研究了近红外(NIR)光激活的形状记忆聚合物，并以生物材料为原料合成了具有形状记忆性能的V-fa/eco聚合物。合成材料的共聚物可以直接用作打印材料，而不需要使用其他聚合物作为基质材料。当打印材料中ECO的质量分数超过50%时，在波长为808nm的近红外光下，打印样品可以在30秒内被远程驱动，并且具有很高的回收率。电驱动4D打印还有很多应用，可点击文末链接查看。

不同比例 V-fa/ECO共聚物在近红外光下的形状恢复速度

光驱4D打印技术可以实现远程精确控制。然而，当部件受阻或打印材料的透明度不好时，该驱动方法很可能失败，从而限制其应用。

总结

4D打印的研究工作需要广泛整合材料科学、信息科学、机械工程、力学等学科的专业知识，实现加法制造技术与智能材料的深度融合。4D打印技术的最终目的是直接制造具有一定智能功能的结构，从而简化结构的复杂性，减轻结构的重量，这对提高结构的智能化具有重要意义。目前，4D打印技术已在软机器人、航空航天、生物医学8、食品开发等领域显示出巨大的应用潜力，随着科学技术的进步和研究的深入，4D打印技术将在上述领域得到更广泛的应用。

注：本文内容呈现略有调整，若需可以查看原文。

改编原文：Jiangbo B A I, Guangyu B U. Progress in 4D printing technology[J]. Journal of Advanced Manufacturing Science and Technology, 2022, 2(1): 2022001.

doi: 10.51393/j.jamst.2022001

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