4D打印的背景、觸發(fā)條件及商業(yè)應(yīng)用

導(dǎo)讀：4D打印是3D打印技術(shù)的下一代，是在3D打印的基礎(chǔ)上多加了一個維度。4D打印技術(shù)要求打印物體由兩部分組成：一個部分可以通過外部刺激（或“觸發(fā)器”）進(jìn)行操作，另一個部分充當(dāng)載體，允許第一個部分進(jìn)行3D打印。那么，4D打印到底是什么？如何觸發(fā)4D打印呢?目前的發(fā)展如何呢？



背景


△4D 打印的功能令人驚訝

在 4D 打印最初被接受的實(shí)例中，研究人員利用 3D 打印的快速原型制作能力來創(chuàng)建響應(yīng)性材料。20 世紀(jì) 90 年代末，圍繞響應(yīng)式或智能材料開發(fā)開展了大量研究項(xiàng)目。2003 年，東京大學(xué)的Yasuyuki Sakai使用一種類似于現(xiàn)有立體光刻(SLA) 打印機(jī)的技術(shù)來 3D 打印聚合物，該聚合物在暴露于紫外線時會發(fā)生變化（溶解）。此前，在 20 世紀(jì) 90 年代，其他水凝膠已經(jīng)被制成可以響應(yīng) pH、光、電荷和溫度，但上述案例是第一個使用自制3D打印機(jī)做成的。

“4D 打印”一詞于 2012 年創(chuàng)造，作為生物打印的戰(zhàn)略用途，這是一種在 3D 打印機(jī)可用性增加后為水凝膠打印開發(fā)的技術(shù)。如今，4D 打印通常被理解為在 3D 打印機(jī)上創(chuàng)建的智能材料。這個定義的普及很大程度上要?dú)w功于麻省理工學(xué)院自組裝實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)建者Skylar Tibbits。


△您希望 3D 打印能做什么？

您可能在自己的 3D 打印中經(jīng)歷過意外的變化 ，例如，當(dāng)使用ABS進(jìn)行打印時，零件在打印過程中開始變形。隨著時間的推移，這種變化會隨著環(huán)境溫度或打印平臺板溫度過低而發(fā)生。4D打印的概念是控制這種變化何時以及如何發(fā)生。

在 FDM 和樹脂打印機(jī)中，整個過程通�；�于打印材料對熱和紫外線的響應(yīng)而發(fā)生的變化。這些刺激也稱為觸發(fā)機(jī)制，使材料在環(huán)境溫度下保持所需的形狀。在 FDM 中，由熱量引起的變化可以逆轉(zhuǎn)，因此可以對零件進(jìn)行“編程”，使其在某個觸發(fā)溫度（如玻璃化轉(zhuǎn)變點(diǎn)）軟化，或在熔點(diǎn)熔化。

一般來說，4D打印的結(jié)果是一個動作，但研究人員還設(shè)計了其他響應(yīng)，例如：

●化學(xué)品釋放
●電路的斷開或閉合
●表面積或密度的變化
●顏色和透明度的變化
●材料的強(qiáng)化或弱化

總之，4D 打印產(chǎn)生的編程對象在暴露于觸發(fā)器時執(zhí)行其 3D 打印“代碼”，并且可以隨著時間的推移觀察和量化編程的變化。

觸發(fā)器和材料


△自組裝線浸入水中時會折疊成立方體

每個 4D 打印過程都需要能夠?qū)τ|發(fā)器做出反應(yīng)的智能材料，這些材料甚至可以根據(jù)其觸發(fā)因素進(jìn)行分類。水、熱、光和電流是常見的觸發(fā)因素，但還有其他觸發(fā)因素，以下將討論最常見的觸發(fā)器。

水
水被認(rèn)為是生命存在的原因之一，有些物質(zhì)（例如脂肪和油）與水接觸時不會形成混合，而是形成液滴或球體。這種球形形狀允許接觸，但水和其他物質(zhì)之間的表面量最少，并且勢能最小，這一特點(diǎn)激發(fā)了研究人員開發(fā)可在日常生活中使用的智能材料的靈感。水還比空氣具有更大的熱容，因此大多數(shù)溫度敏感智能材料都在水中使用。

一組對水表現(xiàn)出這種反應(yīng)的 3D 打印材料被稱為水凝膠。水凝膠是一種具有附加鍵的聚合物，可將化學(xué)結(jié)構(gòu)從鏈狀變?yōu)榫W(wǎng)狀。這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不溶于水，但充滿液體，使水凝膠具有液體和固體樣的行為。您可能已經(jīng)在日常生活中使用水凝膠：例如隱形眼鏡、衛(wèi)生用品或傷口敷料。大多數(shù)水凝膠在放入水中時會膨脹或收縮，這可用于設(shè)計響應(yīng)。4D 打印水凝膠最突出的用途之一是利用這種膨脹和收縮效應(yīng)來充當(dāng)執(zhí)行器或閥門打開和關(guān)閉。

水凝膠用于智能材料研究已有三十多年了。它們已被 4D 打印成可變形和形狀記憶的物體。在一些項(xiàng)目中，它們被設(shè)計成不僅能對水做出反應(yīng)。然而，水是水凝膠的重要組成部分，它的存在可以改變水凝膠在許多其他情況下的反應(yīng)方式。

紫外線 (UV) 光


△紫外線的幾種使用方式

當(dāng)應(yīng)用于智能材料時，紫外線可充當(dāng)能量來源，這種波長的光可以有針對性地用于產(chǎn)生熱量、刺激光引發(fā)劑或在材料內(nèi)產(chǎn)生交聯(lián)，是一個非常實(shí)用的觸發(fā)器，因?yàn)樗�只需要�?4D 打印件暴露在陽光下。

基于紫外光的 4D 打印應(yīng)用研究最多的材料是紫外反應(yīng)凝膠、環(huán)氧樹脂和液晶彈性體 (LCE)。大多數(shù)情況下，當(dāng)它們包含在 4D 打印中時，它們對紫外線的響應(yīng)是混合光引發(fā)劑內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)，使它們能夠在其他液體部分之間建立橋梁。當(dāng)凝膠、樹脂或彈性體連接在一起時，它們的分子量增加會降低它們的熔點(diǎn)并使其變成固體。在這些情況下，橋梁創(chuàng)建的結(jié)構(gòu)可以作為記憶形式；當(dāng)彎曲或扭曲時，物體可以恢復(fù)到這個記憶狀態(tài)。

改變光的強(qiáng)度或波長可用于產(chǎn)生熱量，從而破壞或替換這些橋梁，從而使 4D 打印物體改變形狀。這已被用來創(chuàng)建復(fù)雜的智能對象，例如自動打開和關(guān)閉的花朵。紫外線產(chǎn)生的熱量還可用于將 FDM 3D 打印中常用的聚合物的溫度升高到如上所述軟化或熔化的溫度。

磁力、電流和電磁學(xué)


△通過噴墨打印制成的導(dǎo)電且可變形的金屬凝膠

由于大多數(shù)天然稀土磁體在受熱時會失去強(qiáng)度，因此無法在FDM打印或在固化過程中與樹脂接觸。但是它們可以被附著或放置到 3D 打印物體中，使打印物體在接觸金屬或金屬物體時被吸引或排斥。如果打印材料是用金屬注入或合金絲制成的，則打印件具有獨(dú)特的與其自身相互作用的能力。

如果導(dǎo)電材料和熱響應(yīng)材料適當(dāng)組合，4D 打印物體在施加電流時可以產(chǎn)生熱量。含有石墨烯或碳纖維等材料的導(dǎo)電 FDM 絲具有足夠高的內(nèi)阻，當(dāng)施加電流時它們會釋放熱量。如果這些長絲與其他具有低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的 FDM 長絲（例如 PLA）熔合，則可以實(shí)現(xiàn)軟化目標(biāo)。

可以承載電流的材料也會產(chǎn)生與電流方向相關(guān)的正交磁場，這種現(xiàn)象稱為電磁現(xiàn)象，是一種避免稀土磁體磁性損失同時達(dá)到相同效果的方法。創(chuàng)建3D打印電磁體的能力為3D打印繼電器和其他簡單電子設(shè)備開辟了可能性。

研究與商業(yè)應(yīng)用


△4D打印水凝膠可以植入人體

研究實(shí)驗(yàn)室和商業(yè)開發(fā)人員專注于將物體所需的形狀“編程”到標(biāo)準(zhǔn)材料的微觀結(jié)構(gòu)中。在 4D 打印方法的商業(yè)化生產(chǎn)方面似乎取得最大進(jìn)展的領(lǐng)域包括水凝膠、智能絲和各種功能設(shè)備，有些甚至可能出現(xiàn)在日常生活中。

●水凝膠
水凝膠是最早為智能或可編程應(yīng)用而設(shè)計的材料之一。水凝膠仍然處于研究的前沿，并且已經(jīng)應(yīng)用​​于解決現(xiàn)實(shí)世界的問題。哈佛大學(xué)Wyss 研究所致力于開發(fā)生物醫(yī)學(xué)和醫(yī)療保健應(yīng)用，而臥龍崗大學(xué)則是第一個 4D 打印水閥的所在地。

4D 打印水凝膠最有前途的應(yīng)用之一是應(yīng)用醫(yī)學(xué)中的心臟貼片。喬治華盛頓大學(xué)的研究人員通過合作創(chuàng)造了一種 4D 打印貼片，可以通過手術(shù)植入來替換受損組織，并幫助心臟在心臟病發(fā)作后進(jìn)行自我修復(fù)。他們使用光束掃描立體光刻打印機(jī)、甲基丙烯酸明膠和聚乙二醇二丙烯酸酯為人類誘導(dǎo)的多能干細(xì)胞衍生的心肌細(xì)胞創(chuàng)建支架，具有形狀調(diào)節(jié)功能并參與肌肉收縮，同時幫助心臟修復(fù)附近的組織。

用于 4D 打印的水凝膠開發(fā)研究在大多數(shù)大學(xué)都很常見，3D Systems和 Stratasys 等 3D 打印巨頭正在推動醫(yī)療保健應(yīng)用的持續(xù)研究。即使有所有這些支持，市場上仍然缺乏使用 4D 打印技術(shù)生產(chǎn)的商業(yè)產(chǎn)品。這很諷刺，因?yàn)?3D 打印用于制造醫(yī)療保健領(lǐng)域的保持器、牙種植體、支架和功能性修復(fù)體的模具或最終版本，但 4D 打印本身尚未轉(zhuǎn)化。

●智能燈絲


△Hatchbox 的光觸發(fā)變色燈絲

Scion Research開發(fā)了一種靈活的變色 4D 燈絲，可隨著溫度的變化從黑色變?yōu)辄S色。許多燈絲制造商都提供類似的產(chǎn)品，Hatchbox提供的燈絲會因暴露在陽光下而改變顏色。

斯圖加特大學(xué)的研究人員設(shè)計了用于 4D 打印的濕度反應(yīng)絲。由這種長絲制成的打印品能夠根據(jù)空氣中的濕度而按照設(shè)計拉伸、延伸和移動。普渡大學(xué)正在進(jìn)行一項(xiàng)正在申請專利的研究，該研究允許將充當(dāng)嵌入式應(yīng)變計的傳感器顆粒添加到細(xì)絲中。

●功能設(shè)備、打印機(jī)和策略


△一種對外力具有程序化響應(yīng)的材料

總而言之，4D 打印領(lǐng)域的大多數(shù)創(chuàng)新都是在現(xiàn)有 3D 打印方法的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，無論是使用生物噴射、噴墨、激光燒結(jié)、FDM 還是樹脂打印，研究人員都在尋找修改和組合多種技術(shù)的方法，使現(xiàn)有 3D 打印材料能夠用于 4D 打印。以下是正在開發(fā)的項(xiàng)目的概要：

新加坡科技設(shè)計大學(xué)：研究人員開發(fā)了一種新工藝，將多種 3D 打印方法集成為一種。為此，研究人員使用了市售的多材料 3D 打印機(jī)，該打印機(jī)經(jīng)過增強(qiáng)，可以在 4D 打印中包含更廣泛的材料。

喬治華盛頓大學(xué)：研究人員在 4D 生物打印技術(shù)方面取得了進(jìn)展，該技術(shù)可創(chuàng)建用于神經(jīng)再生的多響應(yīng)“智能結(jié)構(gòu)” 。這項(xiàng)研究使用 SLA 打印機(jī)和石墨烯混合物，利用應(yīng)力誘導(dǎo)的形狀變換來發(fā)送信號。

德累斯頓工業(yè)大學(xué)：科學(xué)家們開發(fā)出了一種方法，可以在擠出機(jī)熱端存在磁場的情況下3D 打印與鐵顆�；旌系� TPU 長絲，從而賦予打印件磁性行為。

北卡羅來納州：研究人員使用導(dǎo)電凝膠來制造噴墨打印的導(dǎo)電 4D 設(shè)備。

埃因霍溫理工大學(xué)： Perflex是作為軟件開發(fā)的，用于創(chuàng)建 3D 打印的可膨脹織物，以減少衣物浪費(fèi)。該技術(shù)已在Fabrix等軟件中得到采用。

麻省理工學(xué)院的自組裝實(shí)驗(yàn)室：許多人正在等待這個頗具影響力的研究實(shí)驗(yàn)室發(fā)布某種形式的 4D 打印設(shè)計軟件或 4D 模擬軟件。

美國陸軍研究中心：美國陸軍研究中心與伊利諾伊大學(xué)、哈佛大學(xué)維斯研究所和匹茲堡大學(xué)合作，創(chuàng)造了一種專有織物，可以根據(jù)光線改變顏色，根據(jù)溫度變得更透氣，并且當(dāng)受到外力時結(jié)構(gòu)會變硬。