綜述：4D打印技術進展！你想知道的4D打印這里都有！(2)
時間：2022-03-01 15:17 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
熱驅動的4D打印組件可以穩定地保持臨時形狀，并且可以通過控制溫度來調整臨時形狀，使得組件具有不同的機械性能。Tao等人利用熱驅動形狀記憶聚合物的臨時可調形狀的性質，結合超材料的微觀結構設計，創造出形狀可調、彈性模量變化顯著、可重復使用的智能多穩態超材料。這種新材料可用于許多領域，如軟機器人和變形的翅膀。Liu等人還開發了一種基于熱驅動形狀記憶聚合物的零泊松比超材料，它可以感知溫度變化并改變機械性能。Hassanin等人將4D打印技術與超彈性/形狀記憶Ni-Ti負泊松比結構相結合，利用粉末床熔合系統的4D打印工藝制造了優化的Ni-Ti膨脹結構。Bodaghi研究了基于FDM打印技術的自折疊和自纏繞平面自適應超材料，它可以在多個維度上變換形狀。Momeni等人用聚乳酸材料研究了植物的仿生智能風電葉片。該結構只需提供激勵即可實現發電風機葉片的彎扭耦合變形，不需要使用傳統的傳感器、執行器和傳動裝置。這大大降低了控制的復雜性。實驗結果表明，4D打印仿生葉片比平面葉片具有更好的氣動性能。熱驅動4D打印還有很多應用，可點擊文末鏈接查看。
4D仿真智能葉片
溫度控制直接影響熱驅動4D打印元件的響應效果和響應時間。環境溫度的變化很難在短時間內完成，這對快速實現元器件的響應過程是一個挑戰。
3.磁驅動4D打印
磁驅動4D打印技術是通過磁場激活并控制4D打印部件。主要有兩種實現方式：直接響應和間接響應。直接響應法是將混合有磁性顆粒的基質固定成臨時形狀，并將其置于磁場中。磁場改變了磁性顆粒中的磁疇。當再次施加相同的磁場時，基體中的磁性顆粒的磁場會對施加的磁場做出響應，從而實現形狀記憶。間接響應法是基于磁性顆粒在磁場中的磁熱效應，利用熱量驅動元件，該方法是熱驅動方法的變體。
Caputo等人利用粘結劑噴射3D打印技術研究了Ni-Mn-Ga磁性形狀記憶合金網狀零件的增材制造。Zhu等人研究了含有軟磁鐵顆粒的復合打印油墨材料。這種材料是由聚二甲基硅氧烷(PDMS)作為柔性基體成分制成的，以實現形狀恢復功能，用PDMS/Fe墨水制成的蝴蝶樣品的翅膀可以在外加磁場中快速拍動，變形過程在0.7s內完成。其響應速度遠快于熱驅動材料和水驅動材料，這表明了將其應用于磁響應器件的可能性。
仿生蝴蝶翅膀的變形過程
為了使樣品在外加磁場中變形，Shinoda等人使用了一種分散有磁粉的紫外光固化凝膠材料。他們在加工過程中施加磁場，在固化部分產生磁各向異性。最后，他們制造了蠕蟲型軟驅和可以在窄范圍內爬行的人造纖毛；除了磁性粒子，離子在磁場中運動的原理也被用來驅動4D打印組件。McCracken等人基于直接墨水書寫(DIW)技術來控制水凝膠中的離子梯度，打印了一種模仿海洋生物的結構，并通過選擇性地控制離子結合劑的價位產生可在局部磁場存在下激活的4D打印結構實現空間結構變化。磁驅動4D打印還有很多應用，可點擊文末鏈接查看。
磁場中的4D打印組件模擬海洋生物的變形
無論是熱驅還是水驅，都高度依賴外部環境，這在一定程度上限制了4D打印技術的發展。與熱驅動法和水驅動法相比，磁力驅動對環境的依賴性更小，實現了特定的“遠程控制”，誘導非接觸式熱變形。同時，由于磁場可以實現快速變化和轉換，因此磁驅動的4D打印組件通常具有更高的響應速度。
4.電驅動4D打印
電驅動形狀記憶效應主要是利用電流的電阻加熱效應。通過嵌入具有電熱效應的材料(如電熱絲、導電填料等)。在該部件中，當加熱材料被通電時，形狀記憶效應被激活。這種驅動方式的優點是不需要改變外部環境溫度，因此具有更高的加熱效率和更快的響應速度。通過放置加熱材料可以控制部件的局部變形。
基于FDM原理，Zeng等人利用碳纖維增強聚乳酸形狀記憶復合材料(CFRSMPC)制造了4D打印元件。碳纖維既是增強材料，又是熱源。測試結果表明，4D印刷CFRSMPC在75s內完成了電致形狀記憶效應，試件的形狀恢復率在95%以上，說明電阻加熱方法是穩定可行的；基于電驅動的原理，Shao等人將銀納米線(Ag-NW)植入聚乳酸(PLA)中，制備了電驅動4D打印復合材料。Ag-NWS金屬絲經多次拉伸和彎曲變形后仍具有良好的導電性。電驅動4D打印還有很多應用，可點擊文末鏈接查看。
4D打印CFRSMPC板形恢復工藝
在寒冷的環境中抓取動作
5.光驅動4D打印
光驅動4D打印是指以光作為激發源來改變4D打印組件的結構或外觀。Lendlein等人研究了含有肉桂基團的聚合物可以通過紫外線照射變形并固定成預定形狀，例如拉長的薄膜和管、拱形或螺旋形。即使加熱到50℃，變形也能保持較長時間的穩定。當它們暴露在不同的紫外光波長下時，它們可以在環境溫度下恢復原來的形狀。
變形過程
Amornkitbamrung等人研究了近紅外(NIR)光激活的形狀記憶聚合物，并以生物材料為原料合成了具有形狀記憶性能的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為基質材料。當打印材料中ECO的質量分數超過50%時，在波長為808nm的近紅外光下，打印樣品可以在30秒內被遠程驅動，并且具有很高的回收率。電驅動4D打印還有很多應用，可點擊文末鏈接查看。
不同比例 V-fa/ECO共聚物在近紅外光下的形狀恢復速度
光驅4D打印技術可以實現遠程精確控制。然而，當部件受阻或打印材料的透明度不好時，該驅動方法很可能失敗，從而限制其應用。
總結
4D打印的研究工作需要廣泛整合材料科學、信息科學、機械工程、力學等學科的專業知識，實現加法制造技術與智能材料的深度融合。4D打印技術的最終目的是直接制造具有一定智能功能的結構，從而簡化結構的復雜性，減輕結構的重量，這對提高結構的智能化具有重要意義。目前，4D打印技術已在軟機器人、航空航天、生物醫學8、食品開發等領域顯示出巨大的應用潛力，隨著科學技術的進步和研究的深入，4D打印技術將在上述領域得到更廣泛的應用。
注：本文內容呈現略有調整，若需可以查看原文。
改編原文：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
(責任編輯：admin)
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