众所周知，与传统的增材制造技术(3D打印)相比，4D打印技术(四维打印)增加了时间维度。采用4D打印工艺制备的结构可以随着外界环境(光、热、磁、电等)的变化而改变其形状和形态，4D打印具有广阔的应用前景。近日，来自北京航空航天大学的研究者们整理了目前4D打印技术的现状，研究成果应用前景和存在的问题等，下面就请大家跟随南极熊一起看下去吧。
4D打印的介绍和概念
基于3D打印，4D打印采用能够响应外部环境(即电场、磁场、温度、湿度、PH等)变化的智能材料。或者采用特定的打印工艺，使打印部件对外界刺激做出响应并使其几何尺寸和内部结构发生变化。
在2013年TED大会上，Tibits等人将一个软柱体浸入水中，圆柱体在水中自动弯曲和变形，形成特定的形状。这些关于4D打印的结果引起了研究人员们广泛的关注，许多关于4D打印的研究已经开始涌现。综上所述，相对于3D打印而言，4D打印的附加维度主要是指时间维度。结果表明，打印品在受到外界环境(如温度、湿度、电流、磁场等)刺激时，会发生形状或其他形态的变化。目前对4D打印技术的研究主要集中在变形能力方面。传统的打印元件响应外界激励的方法通常需要三个部分：传感器、处理器和执行器。4D打印部件本身无需伺服驱动设备即可实现对外界刺激的响应，降低了结构复杂性和重量。
4D打印可以通过使用不同特性的形状记忆材料来实现元件对外部环境变化的响应。这种反应是外部刺激对材料的“驱动”效应。4D打印的研究主要集中在开发能够响应外界刺激的智能材料。目前，在4D打印中应用较广泛的材料有形状记忆聚合物、天然纤维、形状记忆合金。通过将材料的智能特性与增强的制造技术相结合，可以实现产品对外界刺激的整体响应。根据打印部件对外界刺激的响应程度不同，4D打印可分为水、热、磁、电、光等多种驱动方式。
1. 水驱动4D打印
水驱动4D打印部件通常由暴露在水中时具有体积变化的材料作为驱动组件，而亲水性材料作为基质组件。当驱动部件与水分子结合时，体积发生变化，发生变形。例如，亲水性聚合物遇到水时会形成水凝胶，导致体积急剧增加，纤维素与水分子结合时会膨胀，基质的驱动成分的变形最终会使水环境中的整体结构变形。实现水驱动4D打印需要考虑的主要问题是制备具有溶胀各向异性的打印材料，以及在水环境中设计不同方向具有不同溶胀特性的打印材料。
水驱动4D打印技术的打印材料相对容易制造，不需要复杂的打印设备。它可以实现很大程度的变形。它有望应用于人体、水下机器人等领域。然而，由于使用水响应型智能材料的部件高度依赖于水环境，因此实现远程精确控制是具有挑战性的。水驱动4D打印还有很多应用，可点击文末链接查看。
3D打印机和零件变形工艺 2. 热驱动4D打印
热驱动4D打印技术通过调节温度激活形状记忆材料，以控制部件的变形。通常，可以响应热刺激的热塑性形状记忆聚合物或形状记忆合金被用作热驱动4D打印材料。其中，热驱动形状记忆聚合物比形状记忆合金更容易制备，因此被广泛应用于热驱动4D打印技术的研究。热驱动形状记忆聚合物的形状记忆功能源于其分子链组分在温度刺激下的玻璃化转变或熔融转变。热驱动4D打印组件的经典制造工艺是：首先，利用增材技术制造具有初始形状的组件；然后，当组件高于聚合物的玻璃化转变温度Tg时，将组件从初始形状调整为临时形状，保持临时形状并将其冷却至玻璃化转变温度以下，以使临时形状稳定；当再次加热至玻璃化转变温度以上时，组件可恢复其原始形状，实现形状记忆功能。
加热后支架的形状变化过程
基于形状记忆材料和衬底之间的热应变差异，Wang等人利用两种材料在加热时产生的不同热应变产生垂直于打印纤维的弯曲变形。抓取机构由“手掌”和“手指”组成。“手掌”是一个预制的结构件，手掌上安装了三个“手指”。加热时，三个手指弯曲变形以抓住目标物体。
4D打印“手指”实现抓取动作
当温度变化时，大多数热驱动的4D印刷部件将整体变形，但在实际应用中，通常需要控制部件的局部变形。Teoh等研究了可以实现局部变形的成分。在三层花瓣中使用具有不同玻璃化转变温度的形状记忆聚合物以实现花的分层开花和部分组分的简单控制。更精确和灵活的控制需要结合电，磁等驱动方法。
三层花瓣开花过程
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.
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