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4D打印技术在产品设计领域的应用综述

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  摘 要:4D打印技术是在3D技术基础上引入时间维度,发展起来的升级版技术手段。它是在时间的作用下,结合3D打印而成的时代产物;各方面数据都领先时代科技,并向多种复合材料打印速度精准呈现快速的方向发展。本文对4D打印技术展开描述,总结4D打印技术在产品设计中的应用及未来的发展趋势。
  关键词:4D打印技术;生物打印;形状记忆
  0 引言
  4D打印是使用可编程材质作为打印材料,通过3D打印的方式打印出三维的物品,该物体会随着周围的环境发生变化。与传统的制造方式相比,4D打印还具有一些特性,例如,可以直接将编程的材料运用到打印中,使物体可以随环境的变化而变化,形态便实现了模型的自由变化。同时,4D打印也大大降低了使用成本,能激发设计师新的想象,设计出更富有功能性的作品,最后通过编程将物体的数字文件发布到世界各个角落。
  1 4D打印技术发展历史及现状
  在2013年的TED演讲中,Tibbits首次引入了4D打印这个术语,即静态3D打印的物体会随着时间的推移改变形状。之后不久,发表了第一篇关于4D打印的研究论文,论文使用了打印活性复合材料(PACs)的概念,即打印的纸张可以通过形状记忆效应(shape memory effect,SME)转化为复杂的构型。此后,4D打印备受媒体、智能材料界以及3D打印研究领域关注。4D打印最初定义为3D打印+时间,这个第四维度就是时间,但这个概念在过去几年已经有了发展。当今,4D打印的一个流行定义是,当3D打印结构暴露在预定的刺激下时,如热、水、光、pH,其形状、属性和功能会随着时间的推移而变化。4D打印能够使物体的功能性更加丰富。3D打印技术仅仅能设计出静态模式下的产品,4D打印是3D打印与刺激响应材料结合而成的一种新技术。它受外界的刺激,借助3D数字模型文件,能够设计出可动态的结构。4D打印中的材料是一种智能的自适应材料,不需要任何的外界设备,在环境的影响下得到理想中的形态,是不同应用的需求。4D打印突破传统制造物方式,发展迅速,更加智能、高效。
  至4D打印出现以来,其备受世界关注。4D打印技术在AI、包装设计、机械、超材料、生物医学和生物医学工程等领域有着广泛的应用前景。2013年,麻省理工学院实验室对4D打印开展深入的研究,最终成功将一根绳子放入冷水中,其自然形成了MIT字样(麻省理工学院的英文缩写)。2014年又实现了形态转换自行拼装。2015年,该实验室又设计出世界上第一双4D打印鞋子,可以适应不同人群的脚的大小。2015年,新加坡科技大学开发出一种高分子形状记忆材料,与其他打印材料有着不同的性质,它能随温度的变化而变化。2016年,德国汽车厂商宝马公司将4D打印应用于汽车零部件的制造上,发挥了很出色的性能,在空气动力学的研究上有很大的进步。
  2 4D打印的材料属性
  目前,适用于4D打印的3D打印技术数量有限,最流行的4D打印形式是多喷墨打印和挤压打印。多喷墨印刷使数字材料具有广泛的可调机械性能的SMPs和复合材料。然而,聚喷印花存在设备成本高、树脂性能要求严格、材料选择有限等缺点。基于挤压的打印方法更加通用,但是打印速度慢,分辨率相对较低,有时界面不好。现在,新型制造和3D打印技术在纳米、微中宏观层次上建造蜂窝结构,通常这些材料能很好地表现出机械功能和热性能组合,被称为超材料。作为一种具有特殊性质的人工材料——超材料,它是自然界中没有的,质地坚硬,机械性能高,在生成后往往会很快定型。但是迄今为止,现在的4D打印技术缺乏对机械性能高的精确控制,它很缓慢。所以,加州大学有一群科学家提出了一个治理方案——FR M M,针对这个问题展开讨论。在提出方案后,科學家们进行一一的实验与检测,也就是要得出这种特殊结构的材料,就要用一种称为大投影面积微粒体光刻技术,通过这种技术用液态树脂形成一层表面,再放入液体中,逐层打印,生成三维物体。另外,科学家们还创造了一种新的制作流程,可以进一步展开对它的研究,FR M M最终能被应用到4D打印技术中。
  形状记忆高分子(Shape Memory Polymer,SMP)材料,是指其在一定的条件下可以改变自身形态,同时又可恢复成最终形态。高分子的形状记忆功能具有特殊性,取决于内部结构。它在生产的时候留下最初的记忆形态,并始终保有记忆功能,既可以改变又可以恢复。这种变化反复使用多次,原理类似于现在的汽车座椅记忆功能,形状记忆高分子材料分为热感应SMP、电效感应型SMP、光致感应型SMP、化学感应型SMP。此外,SMP具有以下几个特点:形状记忆合金形变量低(10%以下),而SMP较高,SMP复原能力较低,并且具备单向记忆功能。1960年初,英国有一位科学家ACharlesby在一本著作中报道了金辐射交联后的聚乙烯具有记忆效应,随后被美国航空航天领域所应用。此外,中国长春应化所和西北核技术研究所等很多单位都有所研究和生产,使它成为21世纪重点发展的新型材料。
  3 4D打印在产品设计中的应用
  随着智能机器人、量子计算、人类增强等新技术的出现,4D打印正处于创新研发阶段,人们对4D打印的期望也会随着时间的推移而增加。4D打印将需要10多年的时间才能成为主流。近些年,3D打印技术在各个领域已经应用得很广泛,尤其是在产品设计方面更加凸显出来它的优势。4D打印技术在产品设计应用领域更为广泛,它打破了传统3D的格局,在时间材料方面远远优于3D Printing。4D打印的优越处在于能将外形改变成自己想要的,通过3D技术打印出来,并且不会有多余的部分;另外,4D打印也可以根据不同人的需求进行不同的变换,在这些方面是优于3D打印技术的。
  3.1 在工业设计领域
  在打印传统工艺零件方面,4D打印的材料要比3D的更结实耐用,而且效率方面也远远超出了传统工艺。在打印医疗器械方面,4D打印的时间比3D打印更为快速,精准度也更高。在打印家居方面,4D打印技术更高效的时间效率比传统的3D打印创造出了更多的经济价值,节省了相当一部分的劳动力。而在打印汽车方面,4D打印的材料更具有安全性和稳定性;同时,4D打印技术和车间生产可以做到完美的结合,这也算是一个创新性的飞跃。   3.2 在服装设计领域
  服装产业具有悠远的发展历史,在女装盛行的时代,麻省科技设计公司最近又研发了“全球第一4D打印裙子”。这个裙子的设计针对不同人群,解决大多数人存在的不合身的问题,它会根据试穿者的身材、比例,随时都可以变化,即使变胖或变瘦,这款裙子还是依旧那么合身。
  4 4D打印的未来发展及应用前景
  4D打印的过程是减法,而不是加法,这个市场非常大,可编程材料将在整个4D打印的材料市场中占很大的份额。目前,最先进的4D打印技术是在德国的一家公司,这家公司叫作德国海德堡印刷机械股份有限公司,打印机叫作Jetmaster。在打印过程中,首先是想将机器人技术用来降低喷墨成本,偶然的发展成了4D打印技术。例如,美国的巨大品牌惠普(HP)也在研究4D打印技术,并成立了研发中心。但目前的问题是4D打印还不够成熟,还停留在实验阶段。例如4D打印的椅子,它可以自由变形,但经不起后期的使用,存在磨损问题,所以技术上存在漏洞。4D打印需要众多国家企业的支持,让3D打印真正迈入4D时代是一个漫长又艰难的过程。尽管面临诸多挑战,4D打印的前景仍然乐观,随着大数据和人工智能等互补技术的出现,4D打印会更快地实现更好的预测和仿真。这将大大有助于环境(刺激)和类似反应的可预测性,加之不同学科的密切合作,对产品设计应用4D打印的潜力至关重要。
  5 结语
  未来,4D打印需要在各个领域进行跨学科的研究和技术进步,包括3D打印技术的硬件、智能材料的材料科学以及新颖的设计和建模工具。与智能金属和陶瓷相比,智能聚合物具有刺激反应性多样、变形能力大的优点。迄今为止,4D打印的重点是利用聚合物作为基础材料,大多数4D打印涉及3D打印的变形材料和结构。变形的基本机理是直接使用智能材料在打印过程中或打印后,打印对象内产生局部特征应变(或失配应变)。需要注意的是,利用特征应变生成形状变化的结构,在智能材料研究领域已经广泛应用了很长一段时间。然而,许多设计是不能伪造的。从这个意义上说,4D打印极大地促进了智能材料和结构的研究。
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  作者简介:韩铠(1995—),男,黑龙江人,本科,助教,研究方向:產品设计。
  孙明阳(1977—),男,吉林人,研究生,讲师,研究方向:产品设计。
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