4D打印
關注創建者：89廿xue 創建時間：2018-08-20
4D打印的實例教程
4D打印研發取得新進展
隨著技術的不斷成熟，利用3D打印技術生產產品已經成為了未來打印行業實現快速發展的重要途徑。與此同時，世界各國也加緊了對于4D技術的研發，一些國家和地區已經在4D打印方面已經取得了一些新成果。
近日，據媒體報道，香港城市大學的研究團隊已經在4D打印技術方面取得了新的突破。針對陶瓷熔點較高、現有的3D印刷陶瓷前體通常很難變形、制造復雜形狀的陶瓷困難重重的狀況，該團隊開發出了一種新型的“陶瓷墨水”材料。
據悉，該新型材料是聚合物和陶瓷納米粒子的混合物，采用這種新型陶瓷墨水打印出來的3D陶瓷前體非常柔軟，可以實現拉伸到初始長度3倍的良好效果。同時，運用適當的熱處理工藝，這些柔韌且可拉伸的陶瓷前體就可用于制造具有復雜形狀的陶瓷，這對于打印具有多種形狀的產品是大有助益的。
據業內人士分析，陶瓷4D打印系統為擁有復雜形狀且質地堅固的陶瓷產品未來實現大規模量產提供了條件。雖然說目前的4D打印技術還處在研發階段，采用4D打印技術來生產制造產品還沒有普及開來，但是在多方共同努力之下，未來的4D打印技術可以在電子產品的生產、航空航空產品的制造方面發揮出巨大的作用，并成為我國相關行業實現發展的新引擎。
處于信息化時代、為在全球化競爭中獲取更大的優勢，世界各國在前沿技術方面的競爭將會日益激烈。隨著3D打印技術與實體經濟的結合程度日益加深、4D打印技術的研發不斷提速，相關行業將迎來快速變革時期，在重重考驗中逐步發展壯大起來！
展開 2022年2月11日，南極熊獲悉，來自德國、埃及和阿聯酋的研究人員開發了一種新型的4D打印透明牙齒矯正器，與目前市場上的矯正器不同，它是由形狀記憶聚合物制成的，具有"4D "形狀記憶功能。
據了解，他們開發的正畸裝置使用Kline Europe的透明ClearX樹脂，采用DLP工藝3D打印而成，一旦戴到用戶的嘴里就會變軟，能夠適應、抓緊和重新定位錯位的牙齒。到目前為止，這種矯正器不僅具有生物相容性，而且證明能夠隨著時間的推移可預測地改變特性，有可能成為當前透明牙套的理想替代品。
△研究人員認為，他們的牙齒矯正器可以大大降低矯正器生產的相關成本，圖片來自Prodways
4D牙齒矯正器的好處
當前的矯正器由不同類型的聚合物制成，例如聚乙烯材料、聚氯乙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚酯和聚氨酯。這種矯正器的工作原理是，通過編程設計牙齒的位置與實際牙齒位置之間的偏差，來控制牙齒移動。在市場上大多數流行的矯正器系統中，每個矯正器只能使牙齒移動 0.2 到 0.3 毫米，或每次旋轉1°至3°，每個矯正器要佩戴大約 14 天，然后更換下一副矯正器。因此，牙齒的矯正周期很長，而且成本很高，一般需要幾萬元。
△視頻：當前商業化隱形牙套矯正牙齒的過程
新矯正器材料的引入引起了研究人員的關注。形狀記憶聚合物 (SMP) 是最近引入牙科領域的新型材料之一，特別是用于正畸應用。它們為醫療材料的應用提供了巨大的潛力。
四維打印（4D打印）技術是基于形狀記憶材料的3D打印。顯然，在給定的環境條件下，4D 打印部件具有隨時間（第四維度）改變形狀的能力。隨著形狀記憶聚合物材料的不斷發展，產品設計行業中的新 4D 打印應用有望增長。研究人員將 4D 技術引入正畸矯正器的制造中。
展開 Simulation，PLM，CAD，Digital Twin，Industry 4.0都有一些非常大和有影響力的公司垂涎花生醬和果凍三明治，這是數字和制造的結合。如果我們要發展數字化制造和3D打印，那么我們的軟硬件資產必須通過軟件進行管理和控制。我們用3D打印替代的傳統制造部件越多，就必須通過軟件包監控和訪問更多的文件，設置和過程信息。這部分解釋了Dan Wellers對3D打印的興趣以及對該技術的熱情。
什么是4D打印？
基于現有的3D打印技術，4D打印使用的動態材料，當這些材料遇到諸如水、光、熱或電流等變化的條件時，其性能有所不同。這些材料 - 水凝膠、形狀記憶聚合物、碳纖維、定制紡織復合材料等，具有使物體能夠自組裝、重塑自身或以其他方式對變化的事件或條件作出反應的特性。這就被稱為4D打印，因為它包含了通常被稱為第四維度的東西：時間。
為何如此重要？
4D打印可以擴展目前在原型設計、設計、制造和后期制作適應性和使用方面可實現的目標。例子包括：用于倉庫和物流公司的自動展平箱；能夠根據流量或水需求改變直徑的管道系統。
由于其自組裝能力，大到不能通過傳統3D打印機打印，物體可以被壓縮用于打印，然后在制造之后擴展。4D打印也可用于消除家具組裝的普通問題。此外，研究人員還證明了4D打印中使用的智能材料如何能夠使物體“記住”其形狀。
3D打印有多重要？
3D打印代表了制造業中設計和生產的數字化轉型，將對從物流到延伸供應鏈到貨運的所有方面產生深遠的影響。3D打印消除了傳統制造中固有的許多設計和生產限制。
在過去的幾年里，3D打印在使用不同材料的方式上取得了進步，不僅是塑料，而且金屬、樹脂、砂巖、蠟和陶瓷也越來越多地同時使用多種材料。
人和機器將來如何協同工作？
展開 2021年10月9日，南極熊從天津大學獲悉，天大封偉教授團隊制造一個智能的、對觸覺敏感的4D打印軟體機器人。這個基于液晶彈性體的機器人，當加熱到160℃以上后變形為管狀，可以實現無約束的自由滾動。該研究成果在《細胞》出版社旗下頂尖期刊《物質》發表。
△滾動中的4D打印機器人
“軟體機器人能夠適應復雜環境，實現與人類更安全地交互。” 封偉教授介紹，3D打印可以基于數字模型自動準確地將設計思想轉化為復雜零件，為軟體機器人制造增加“時間”維度——即4D打印。
△打印原理
將智能材料加工成具有對熱刺激響應行為的動態結構。團隊在此基礎上通過4D打印對液晶彈性體智能材料進行精確加工，直接獲得了具有感知能力和適應性的智能軟體機器人。
△機器人能夠滾動爬坡
在這項研究中，封偉教授團隊利用4D打印技術制造了一個管狀體，曲率為機器人提供了可持續的定向滾動能力。一個10厘米長的機器人在水平面上可以達到超過48厘米/分鐘的最大速度，并爬上大約20°的坡度。較長的管狀物滾動速度更快，穩定性更好，這確保了機器人對復雜地形的適應性。
該管狀自主軟體機器人通過對熱的感知，可以自主改變自身形狀進而調整運動速度和方向。自主控制滾動方向的特性使得這種軟體機器人有類似昆蟲觸角的觸覺感知能力，讓它能夠探測前方道路上的障礙物，根據障礙物的高低實現翻越或折返。
“當樣品機器人以一定角度放置在傾斜的加熱板上時，樣品依然可以向上自主滾動。” 封偉教授說，“這種自主軟體機器人的整個驅動過程是自動的，無需改變環境因素，機器人就能夠在脫離人工控制的情況下完成任務。”
鑒于材料和結構的靈活性，機器人的觸覺感應能力與昆蟲的觸角相似。
展開 一個普通的背包，可在海水中變成救生艇、在野外露營時變成帳篷；一根普通的排水管道，可根據水流量膨脹或收縮、在破裂時自我修復；一個普通的沙發，可隨著就坐客人的高矮胖瘦調整形狀……曾經出現在哆啦A夢四維空間袋里的神奇事物，正隨著4D打印這一技術的出現與發展，一一成為現實。
從“3”到“4”的突破
當前，3D打印風光無限，咋又出了個4D打印？看上去后者就比前者多個“1”，其實是多了時間維度。4D打印是在3D打印的技術基礎上，通過事先設定好形狀記憶纖維的變化，讓產品外形隨著時間而產生改變。這就意味著，4D打印出來的東西，不再只以固定的形態存在，而是可根據前期設定的時間，在溫度、濕度等特定條件下，自動折疊成相應形狀，甚至可制造出傳統生產技術無法制作出的外形。同時，在打印過程中可摒棄復雜的機電設備連接和人類員工參與，大幅降低生產制造成本，縮短產品研制周期。
不論是從未來科技發展趨勢，還是從當前挖掘科技價值的方向來看，4D打印既是一種生產工具的革命，又是一種由生產材料改變而引發未來整個生態結構方式改變的技術，比3D打印更具備前瞻性和顛覆性。
從實驗到應用的跨越
智能材料的高標準需求、催動材料變形的軟件設計，都是4D打印的發展瓶頸。“敏于觀察，勤于思考，善于綜合，勇于創新”，人類正是靠著這樣一種能力，跨越難關，驅動科技進步。
從2013年美國麻省理工學院開展4D打印實驗開始，很多國家就著手在軍事、醫學、生活等領域探索此類技術應用。2015年初，第一件鏤空4D連衣裙和第一雙4D鞋子問世，一定程度上實現了“量體裁衣”。隨后，4D打印水凝膠材料研發生成，這種水凝膠預計會在未來城市水網改造、醫學器官再造和航天器等方面發揮出重要作用。理論雖已成為實物，但4D打印主要應用場景仍在實驗室里。
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海工船舶和國防軍工領域的全鋁車身（架）、車頭、輪轂、輪胎、鋁鎂合金鑄件、電池箱輕量化材料、內\外飾產品、其他交通輕量化零部件等；
◆輕量化商用車：各類客車、校車、公交車、貨車、專用車、環衛車及工程車、氫能燃料電池車等；
◆先進加工工藝與智能制造裝備：汽車三電系統和四大工藝裝備、動力系統、底盤系統、車身系統、電子電器系統、先進材料制備與成形加工工藝、汽車用鋼技術、鋼鋁結合技術、汽車智能裝配與傳輸技術、鋁鎂擠壓裝備、3D\4D
例如，形狀記憶材料(SMMs)包括聚合物、陶瓷、合金等，可以在刺激下從程序結構恢復到初始結構，在柔性電子、軟機器人、4D打印等領域顯示出巨大的潛力；液晶彈性體(LCEs)是一類著名的刺激響應聚合物，通過其輕微交聯的聚合物網絡具有大而可逆的構型變化，在機器人、微流體、光學和能源領域發揮著關鍵作用。
熔融沉積成型（FDM）3D打印技術作為一種易于接近的增材制造技術，在當今的制造趨勢中占據了核心地位，從快速原型制作到創造性表達甚至建造交互式設備。利用自動和半自動定制設計控制，3D打印還可以作為增強工藝工具來實現復雜的美學，降低工藝水平的門檻，這為制作物品的廣泛可能性賦予了力量。因此，我們看到了引入吹塑技術的機會，這種技術已經存在了很長時間，但在人機交互領域中還沒有被完全探索。
高熵非晶合金等新種類合金材料的成分設計、材料基因組設計、多材料功能梯度結構、超材料結構、仿生材料及其結構、具有電磁屏蔽功能的復合材料結構、材料結構功能一體化設計、3D打印納米結構、軸向立體光刻打印、4D打印智能材料、活體細胞打印、極端環境下的增材制造及應用等創新型、交叉性技術研究進展明顯。
無論從碳纖維、陶瓷、金屬及貴金屬和仿生3D打印及形狀記憶（4D打印）的發展，增材制造作為一種顛覆性新技術，已經廣泛應用在航空航天、醫學、模具、藝術設計和創新教育等領域，成為推動創新的重要推手，為工業發展帶來變革。
作為航空發動機和燃氣輪機的關鍵零部件之一的空心渦輪葉片，其運轉過程一直處于高溫、高壓等極端工作環境中。
●4D打印材料
4D打印是3D打印的一個新領域，4D打印是指3D打印結構的形狀、功能和物理性質隨著時間的變化而變化，以響應外部刺激，如溫差、化學反應和光學照射。對于4D打印電子應用，可以在形狀記憶聚合物(SMPS)中加入導電填料，使其具有所需的電學性能。除了具有用于4D打印電子應用的導電開關電源外，導電功能材料還可以直接沉積在4D印刷結構上或嵌入其中。
l 企業級設計智能化應用
寶馬公司在其BMW VISION NEXT 100概念車中通過智能設計算法開發了汽車動態功能性外表皮和內飾，并配合4D打印方式進行制造，實現了超高性能。設計工程師們可以想象，如果這樣的動態表皮結構用CAD來建模，難度將會是多大，又會耗費多少時間。而用智能算法輔助設計，不僅能批量處理所有單元，并引入變化，還可以實現動態模擬。
具有各種功能的智能結構：（a）具有熱收縮性能的人造皮膚；（b）金屬墨水直接書寫和電子元件的取放相結合的平臺；（c）導電和功能材料的電荷編程調幅；（d）可變形結構的4D打印。
未來方向
1、融合不同的物理場和n維(nd)打印，用于復雜的多尺度結構，基于傳感和驅動能力的有效組合對刺激做出動態響應。
2、更多獨特功能的材料。
3）具有某些響應特性的
智能材料
，如形狀記憶的4D打印。
增材制造材料體系
未來方向
1）完善材料設計理論
。通過材料基因組建立專業數據庫，實現智能優化選材。通過建立成分、工藝、微觀結構與性能之間的內在聯系，可以根據材料的性能設計出滿足要求的微觀結構。
