华南理工丨4D打印技术的研究进展
4D打印技术的研究进展
4D打印是实现对智能材料的增材制造技术。本文基于复合材料、形状记忆聚合物、形状记忆合金等材料简要综述了4D打印智能材料的研究进展。目前复合材料的4D打印向着多材料精确复合、响应速度快、成形材料功能化等方向发展；4D打印形状记忆聚合物则朝着形态可控、实现特定动作等方向发展；4D打印形状记忆合金，目前向着相转变行为精确调控、变形可控等方向发展。由于目前4D打印形状记忆合金存在诸多未解决的问题，本文提出了获得近全致密4D打印形状记忆合金需考虑的因素；成形孔隙对其综合性能的影响；组织性能调控；变形控制；性能指标调节的冗余度问题；需要突破的科学问题等相关思考。
1复合材料的4D打印
表1 4D打印复合材料或多材料的类别、特点以及研究发展方向总结
图1 复合材料的4D效果
2 形状记忆聚合物的4D打印
表2 4D打印的形状记忆聚合物的特点以及研究发展方向总结
图2 基于的形状记忆聚合物4D打印夹子的动态行为
图3 螺旋形状记忆聚合物组件的自发顺序形状恢复过程
3仿生4D打印
仿生4D打印作为一种新兴技术，目前处于非自动化操作状态、且制造规模小，要实现对人体器官、组织等的精确制造仍然存在诸多难题，如微区功能差异化、组织差异化、环境控制等。对于仿植物4D打印技术，目前正在逐步展开，并取得了不错成果，但技术的成熟度仍有待不断提高。
图4 仿生4D打印产生的复杂的花形态
4形状记忆合金的4D打印
表3 4D打印形状记忆合金的类别、特点以及研究发展方向总结
图5 选区激光熔化（SLM）成形的U形NiTi合金构件的多阶段形状恢复过程
5.4D打印形状记忆合金的几点思考
基于4D打印形状记忆合金的全流程工艺分析可知，材料成分、氧增量、孔隙率、打印策略、后处理等因素显著影响4D打印形状记忆合金的组织结构，进而影响其相转变温度、形变量、回复量等性能指标。因此，制备复杂结构、特定功能零部件的形状记忆合金及其构件，需要思考的主要问题如下：
（1）近全致密形状记忆合金的4D打印技术；
（2）孔隙对4D打印形状记忆合金综合性能的影响；
（3）4D打印形状记忆合金的组织性能调控；
（4）4D打印形状记忆合金的变形控制；
（5）4D打印形状记忆合金的性能指标调节冗余度等。
文章来源：
卢海洲 , 罗炫 , 陈涛 , 刘钊 , 杨超. 4D打印技术的研究进展. 2019, 39(2): 1-9.
doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2018.000041
