4D打印-智能材料的增材制造技術(shù)*

李滌塵，劉佳煜，王延杰，王永泉，王樹新（.西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 70049；.天津大學(xué)機(jī)構(gòu)理論與裝備設(shè)計(jì)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 30007）

4D打印-智能材料的增材制造技術(shù)*

李滌塵1，劉佳煜1，王延杰1，王永泉1，王樹新2
（1.西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710049；2.天津大學(xué)機(jī)構(gòu)理論與裝備設(shè)計(jì)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

4D打印是指智能材料的增材制造，智能材料結(jié)構(gòu)在3D打印基礎(chǔ)上在外界環(huán)境激勵(lì)下隨著時(shí)間實(shí)現(xiàn)自身的結(jié)構(gòu)變化。4D打印是3D結(jié)構(gòu)打印與智能材料性能的結(jié)合。闡述4D打印的基本技術(shù)特征，介紹了目前國(guó)際上利用增材制造技術(shù)制備智能材料的研究發(fā)展?fàn)顩r，展示了幾種典型應(yīng)用，給出了在此方面的研究初步進(jìn)展，并分析了4D打印技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。

增材制造；智能材料；智能結(jié)構(gòu)

0 引言

智能材料結(jié)構(gòu)又稱機(jī)敏結(jié)構(gòu)（Smart/Intelli?gent Material and Structure），在外界環(huán)境刺激下，如電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濕度、光、pH值等，智能材料結(jié)構(gòu)可將傳感、控制和驅(qū)動(dòng)三種功能集于一身，能夠完成相應(yīng)的反應(yīng)，智能材料結(jié)構(gòu)具有模仿生物體的自增值性、自修復(fù)性、自診斷性、自學(xué)習(xí)型和環(huán)境適應(yīng)性[1]。

智能材料分類方式繁多，根據(jù)功能及組成成分的不同，可大體分為：電活性聚合物，形狀記憶材料，壓電材料，電磁流變體，磁致伸縮材料等。智能材料結(jié)構(gòu)在眾多領(lǐng)域有著重要應(yīng)用，如航空航天飛行器、智能機(jī)器人、生物醫(yī)療器械、能量回收、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、減震降噪等領(lǐng)域[2]。然而，由于智能材料制造工藝的復(fù)雜性，傳統(tǒng)智能材料制造方法只能制造簡(jiǎn)單形狀的智能材料，難以制造復(fù)雜形狀的智能材料結(jié)構(gòu)，智能材料的傳統(tǒng)制備方法嚴(yán)重限制了智能材料結(jié)構(gòu)的發(fā)展與應(yīng)用。

增材制造技術(shù)（Additive Manufacturing），又稱快速成型技術(shù)、3D打印技術(shù)，是近20來(lái)信息技術(shù)、新材料技術(shù)與制造技術(shù)多學(xué)科融合發(fā)展的先進(jìn)制造技術(shù)。增材制造依據(jù)CAD數(shù)據(jù)逐層累加材料的方法制造實(shí)體零件。其制造原理是材料逐點(diǎn)累積形成面，逐面累積成為體[3]。增材制造技術(shù)可以制造出任意復(fù)雜形狀三維實(shí)體，最近發(fā)展的智能材料3D打印技術(shù)使制造任意復(fù)雜形狀的智能材料結(jié)構(gòu)成為可能，最新提出的4D打印技術(shù)是將3D打印技術(shù)與智能材料結(jié)構(gòu)結(jié)合起來(lái)，智能材料結(jié)構(gòu)在3D打印基礎(chǔ)上在外界環(huán)境激勵(lì)下隨著時(shí)間實(shí)現(xiàn)自身的結(jié)構(gòu)變化。本文將首先概述智能材料的增材制造技術(shù)在國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r及應(yīng)用和4D打印技術(shù)的研究進(jìn)展，然后重點(diǎn)介紹本課題組關(guān)于3D打印智能材料結(jié)構(gòu)和4D打印技術(shù)的主要成果。

1 3D打印智能材料國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

1.1 3D打印電活性聚合物材料

電活性聚合物材料（Electroactive Polymer，EAP）是一類在電場(chǎng)激勵(lì)下可以產(chǎn)生大幅度尺寸或形狀變化的新型柔性功能材料，是智能材料的一個(gè)重要分支[4]。離子聚合物-金屬?gòu)?fù)合材料(Ion?ic polymer-metal composites，IPMC)，Bucky Gel和介電彈性材料(Dielectric elastomers，DE)分別是EAP的典型代表。制造三維復(fù)雜形狀電活性聚合物結(jié)構(gòu)是該領(lǐng)域的重要研究課題。

1.1.1 3D打印IPMC

IPMC材料是在離子交換膜基體兩表面制備出電極而形成的復(fù)合材料，在外界電壓作用下，材料內(nèi)部的離子和水分子向電極一側(cè)聚集，導(dǎo)致質(zhì)量和電荷分布的不平衡，從而宏觀上產(chǎn)生彎曲變形[4]。由傳統(tǒng)方法制備出的IPMC材料絕大多數(shù)為片狀[5]，受傳統(tǒng)制備方法的限制，很難制備出復(fù)雜形狀的IPMC智能材料。

Evan Malone和Hod Lipson在2006年首次提出了借助3D打印技術(shù)，制造三層結(jié)構(gòu)和五層結(jié)構(gòu)IPMC智能材料[6]。該研究組將Nafion溶液與酒精和水的混合溶液作為打印IPMC基體的前體材料，將Ag微小顆粒與Nafion溶液混合液體作為IPMC電極材料，先通過(guò)3D打印硅膠材料制備出一個(gè)立方體硅膠容器，然后通過(guò)噴頭逐點(diǎn)累加固化電極-Nafion基體-電極三層結(jié)構(gòu)。3D打印制備的硅膠容器作為接下來(lái)3D打印IPMC的支撐，防止噴頭噴出的液體在固化之前流動(dòng)而影響IPMC的制備。為了減少溶液的揮發(fā)和延長(zhǎng)IPMC智能材料的使用壽命，Malone課題組在3D打印3層結(jié)構(gòu)IPMC基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，在固化形成的電極外側(cè)打印固化一層由Hydrin C thermoplastic(Zeon Chemicals L. P.)材料形成的不可被水滲透的低導(dǎo)電性電極保護(hù)層。3D打印制造的五層結(jié)構(gòu)IPMC可以將溶液封存于IPMC之中，有效增長(zhǎng)了使用壽命。圖1為結(jié)構(gòu)示意圖及3D打印制備的IPMC。

圖1 3D打印五層結(jié)構(gòu)IPMC

盡管采用3D打印技術(shù)制備出的片狀I(lǐng)PMC與傳統(tǒng)工藝制備出的片狀I(lǐng)PMC在性能上具有較大差距，但是這種新的IPMC智能材料3D打印技術(shù)為制造復(fù)雜形狀I(lǐng)PMC三維結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)，使今后直接增材制造制造任意形狀I(lǐng)PMC智能結(jié)構(gòu)成為可能。

1.1.2 3D打印Bucky Gel Actuator/Sensor

Bucky Gel是最新研究發(fā)展的一種離子型電活性聚合物智能材料，Bucky Gel的組成和驅(qū)動(dòng)傳感原理類似于IPMC。Bucky Gel由三層結(jié)構(gòu)組成，中間基體材料為由聚合物和離子液體構(gòu)成的電解質(zhì)層，基體材料兩邊為由碳納米管、聚合物和離子液體構(gòu)成的電極材料[7]，在兩側(cè)電極加載電壓時(shí)，離子液體中的陰陽(yáng)離子向兩個(gè)電極移動(dòng)，引起B(yǎng)ucky Gel的彎曲。

傳統(tǒng)Bucky Gel的制備方法常采用溶液鑄膜法(Solution Casting Method)，分層分別固化電極和基體層，制備出的Bucky Gel大多為片狀，難以制備復(fù)雜形狀的Bucky Gel。N.Kamamichi于2008年提出用3D打印技術(shù)制造Bucky Gel，利用3D打印技術(shù)逐點(diǎn)累加固化電極-基體材料-電極，可以制備任意復(fù)雜形狀的Bucky Gel[8]。該課題組利用3D打印技術(shù)制造手形狀的Bucky Gel（圖2），利用3D打印技術(shù)可以克服傳統(tǒng)制備方法的缺陷，制造任意形狀Bucky Gel智能材料結(jié)構(gòu)。

1.1.3 3D打印DE

傳統(tǒng)DE作動(dòng)器是在介電彈性膜狀材料上下表面涂上柔性電極構(gòu)成三明治結(jié)構(gòu)[4]。當(dāng)施加了電壓U，DE材料的上下表面由于極化積累了正負(fù)電荷±Q，正負(fù)電荷相互吸引產(chǎn)生靜電庫(kù)侖力，從而在厚度方向上壓縮材料而使其厚度變小，平面面積擴(kuò)張。傳統(tǒng)制備方法制備出的DE材料大多為薄膜狀，難以制備任意復(fù)雜性狀的DE材料結(jié)構(gòu)。

圖2 3D打印手形狀Bucky Gel

Rossiter等在2009年首次提出3D打印DE材料[9]，該課題組將光固化聚丙烯酸材料作為DE材料的集體膜材料，利用紫外光固化（Stereolithog?raphy）3D打印技術(shù)，采用雙噴頭紫外光固化3D打印機(jī)，一個(gè)噴頭逐層打印固化支撐結(jié)構(gòu)，另一個(gè)噴頭逐點(diǎn)累加噴射液體聚丙烯酸材料，通過(guò)紫外光照射固化成型，逐層固化形成三維聚丙烯酸基體材料(圖3)，之后將支撐去除，在紫外光固化成型的聚丙烯酸基體材料表面涂抹柔性電極材料，形成DE材料。

圖3 3D打印DE材料

Landgraf等在2013年提出用Aerosol jet print?ing(噴霧打印)3D打印技術(shù)制造DE材料[10]，基體材料采用硅膠材料，電極材料采用硅膠與碳納米管混合物，通過(guò)逐層固化電極-基體-電極的方式實(shí)現(xiàn)三明治結(jié)構(gòu)DE材料的3D打印。該課題組利用超聲波或者氣壓將硅膠液體轉(zhuǎn)變?yōu)閲婌F狀，之后通過(guò)噴頭將硅膠噴霧噴射到工作平臺(tái)表面實(shí)現(xiàn)硅膠的打?。▓D4）。由于選用的硅膠是雙組份混合固化，問了防止雙組份硅膠在噴頭內(nèi)固化堵塞噴頭，該課題組設(shè)計(jì)了雙噴頭打印裝置，通過(guò)兩個(gè)噴頭分別將硅膠兩個(gè)組份以噴霧形式打印，兩個(gè)組分在接觸之后固化，這樣逐點(diǎn)累加固化實(shí)現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)DE材料的3D打印制造。

圖4 噴霧3D打印DE材料示意圖

R.Shepherd和S.Robinson在2013年提出了用紫外光固化硅膠3D打印技術(shù)制造DE材料[11]，基體材料采用可紫外光固化的硅膠材料，電極材料采用混有炭黑等導(dǎo)電顆粒的水凝膠，通過(guò)改變硅膠的粘度來(lái)增強(qiáng)硅膠的可打印性，采用3D打印技術(shù)逐層固化實(shí)現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)DE材料。由于3D打印制備出的DE材料未經(jīng)過(guò)預(yù)拉伸，采用該方法制備出的DE材料變形較小，但是這種方法使制造復(fù)雜性狀DE智能材料結(jié)構(gòu)成為可能。

A.Creegan和I.Anderson在2014年提出采用雙材料紫外光固化3D打印技術(shù)對(duì)DE基體材料和DE電極材料進(jìn)行同時(shí)打印，紫外光固化3D打印技術(shù)是通過(guò)紫外光束在液體樹脂材料表面移動(dòng)逐點(diǎn)累加固化實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體打印，該課題組提出通過(guò)交替固化兩種液體樹脂材料A和B實(shí)現(xiàn)AB雙材料紫外光3D打印技術(shù)（圖5）。

圖5 雙材料紫外光固化3D打印技術(shù)

DE材料的3D打印技術(shù)目前仍處于初步研究發(fā)展階段，盡管目前通過(guò)3D打印技術(shù)制備出的DE材料性能與傳統(tǒng)方法制備出的DE材料還有差距，但是DE材料3D打印技術(shù)使今后制造任意復(fù)雜三維DE智能材料結(jié)構(gòu)成為了可能，解決了傳統(tǒng)制備方法無(wú)法制備復(fù)雜性狀DE材料的難題。

1.2 3D打印形狀記憶材料

形狀記憶材料包括形狀記憶合金(Shape Mem?ory Alloy，SMA)、形狀記憶膠體(Shape Memory Gel，SMG)、形狀記憶聚合物(Shape Memory Poly?mer，SMP)等。形狀記憶材料最大的特點(diǎn)是具有形狀記憶效應(yīng)[1]，將其在高溫下進(jìn)行定型，在低溫或常溫下使其產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)環(huán)境溫度升至臨界溫度時(shí)，變形消失并恢復(fù)到定型的原始狀態(tài),將這種加熱后又恢復(fù)的現(xiàn)象稱作形狀記憶效應(yīng)。

EfraínCarre?o-Morelli等在2007年提出形狀記憶合金的3D打印技術(shù)[12]，利用有機(jī)聚合物將金屬粉末粘接在一起逐點(diǎn)累加固化形成三維立體形狀記憶合金結(jié)構(gòu)。在打印過(guò)程中，噴頭將溶劑噴射到NiTi金屬粉末和有機(jī)膠的混合物上，有機(jī)膠與溶劑發(fā)生反應(yīng)將NiTi金屬粉末粘結(jié)到一起，逐點(diǎn)累加固化得到所需三維實(shí)體形狀記憶合金結(jié)構(gòu)。應(yīng)用3D打印技術(shù)制造出的形狀記憶合金結(jié)構(gòu)的材料密度達(dá)到了理論材料密度的95%，且具有形狀記憶效應(yīng)（圖6）[13]。

圖6 采用3D打印技術(shù)制造的形狀記憶合金結(jié)構(gòu)及其形狀記憶效應(yīng)

H.Furukawa和J.Gong等提出了形狀記憶膠體的3D打印技術(shù)，采用3D打印技術(shù)逐點(diǎn)累加固化成型得到的三維形狀記憶膠體結(jié)構(gòu)，具有形狀記憶效應(yīng)，目前已應(yīng)用于制造智能醫(yī)用繃帶、變焦距透鏡和仿生機(jī)器人等。

Samuel M.Felton和Robert J.Wood等在2013年提出了利用3D打印形狀記憶聚合物技術(shù)，制造具有自組裝(self-assembly)、自折疊(self-folding)功能的智能結(jié)構(gòu)[14-15]。利用3D打印技術(shù)將形狀記憶聚合物逐點(diǎn)累加固化到硬質(zhì)基板上，打印結(jié)束后固化成型的形狀記憶聚合物與硬質(zhì)基板緊密結(jié)合成整體平面結(jié)構(gòu)，在光、溫度、電流等外界環(huán)境激勵(lì)下，形狀記憶聚合物發(fā)生體積膨脹或收縮引起整體平面結(jié)構(gòu)變形成為三維結(jié)構(gòu)(圖7)。

圖7 3D打印形狀記憶聚合物與硬質(zhì)基體構(gòu)成智能結(jié)構(gòu)

1.3 4D打印技術(shù)

Skylar Tibbits與Stratasys Ltd合作，于2013年首次提出4D打印技術(shù)[16-17]。4D打印技術(shù)是指打印智能材料，智能材料結(jié)構(gòu)在3D打印基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)自身的結(jié)構(gòu)變化，即由3D打印技術(shù)制造的智能材料結(jié)構(gòu)，在外界環(huán)境激勵(lì)下可以隨時(shí)間產(chǎn)生形狀結(jié)構(gòu)的變化。4D打印技術(shù)相比于3D打印技術(shù)增加的一個(gè)維度是時(shí)間，由3D打印技術(shù)制造的智能材料結(jié)構(gòu)可以隨著時(shí)間進(jìn)行變化，4D打印制造的三維實(shí)體結(jié)構(gòu)不再是靜止的、無(wú)生命的，而是智能的、可以隨外界環(huán)境發(fā)生相應(yīng)變化的。借助4D打印技術(shù)制造出的智能結(jié)構(gòu)，可以發(fā)生由一維或二維結(jié)構(gòu)向三維結(jié)構(gòu)的變化，或者由一種三維結(jié)構(gòu)變形成另一種三維結(jié)構(gòu)。

Skylar Tibbits提出的4D打印技術(shù)的核心是智能材料和多種材料3D打印技術(shù)，該課題組開發(fā)了一種遇水可以發(fā)生膨脹形變(150%)的親水智能材料，利用3D打印技術(shù)將硬質(zhì)的有機(jī)聚合物與親水智能材料同時(shí)打印，二者固化結(jié)合構(gòu)成智能結(jié)構(gòu)。3D打印成型的智能結(jié)構(gòu)在遇水之后，親水智能材料發(fā)生膨脹，帶動(dòng)硬質(zhì)有機(jī)聚合物發(fā)生彎曲變形，當(dāng)硬質(zhì)有機(jī)聚合物遭遇到臨近硬質(zhì)有機(jī)聚合物的阻擋時(shí)，彎曲變形完成，智能結(jié)構(gòu)達(dá)到了新的穩(wěn)態(tài)形狀。該課題組制備了一系列由該4D打印技術(shù)制造的原型，如4D打印出的細(xì)線結(jié)構(gòu)遇水之后可以變?yōu)镸IT形狀，4D打印技術(shù)制造出的平板遇水之后可以變化為立方體盒子（圖8）。

圖8 由4D打印技術(shù)制造的親水智能材料和硬質(zhì)有機(jī)聚合物智能結(jié)構(gòu)發(fā)生變形

Q.Ge等在2013年提出利用多種材料3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)4D打印技術(shù)，通過(guò)同時(shí)3D打印形狀記憶聚合物(SMP)纖維和有機(jī)聚合物基體，將形狀聚合物纖維結(jié)合到有機(jī)聚合物基體中，制造出的智能材料結(jié)構(gòu)隨時(shí)間可發(fā)生形狀結(jié)構(gòu)變化[18]。4D打印技術(shù)首先采用多種材料3D打印技術(shù)，利用噴頭將聚合物液滴噴射到工作平臺(tái)上，利用刮板將噴射的液滴刮平，之后用紫外光進(jìn)行固化，逐點(diǎn)累加固化成型一層結(jié)構(gòu)之后工作平臺(tái)下移一層的高度，逐層固化實(shí)現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)的制造，3D打印制造出的智能結(jié)構(gòu)由形狀記憶聚合物纖維和有機(jī)聚合物基體組成（圖9）。

圖9 3D打印SMP纖維和有機(jī)聚合物基體

該4D打印技術(shù)采用同時(shí)3D打印SMP纖維和有機(jī)聚合物基體材料，打印成型的智能結(jié)構(gòu)具有形狀記憶效應(yīng)。若將該智能結(jié)構(gòu)與另一有機(jī)聚合物材料層結(jié)合構(gòu)成雙層結(jié)構(gòu)，通過(guò)溫度的變化可實(shí)現(xiàn)彎曲變形和初始形狀之間的轉(zhuǎn)化，而且通過(guò)改變SMP纖維的方向角度可以改變智能結(jié)構(gòu)的彎曲變形幅度，從而控制智能結(jié)構(gòu)的變形（圖10）。

圖10 4D打印雙層智能結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲變形

2 3D打印智能材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

智能材料結(jié)構(gòu)的3D打印技術(shù)克服了傳統(tǒng)智能材料制備方法難以制備復(fù)雜形狀智能材料結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，使制備任意復(fù)雜形狀三維智能材料結(jié)構(gòu)成為可能。目前3D打印智能材料在環(huán)境自適應(yīng)機(jī)構(gòu)、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、柔性機(jī)械、自執(zhí)行系統(tǒng)等領(lǐng)域進(jìn)行了初步應(yīng)用。

2.1 環(huán)境自適應(yīng)機(jī)構(gòu)與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)

很多智能材料同時(shí)具有驅(qū)動(dòng)功能和傳感功能，如形狀記憶合金(SMA)，既可以作為驅(qū)動(dòng)器在不同溫度激勵(lì)下產(chǎn)生變形，又可以對(duì)構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)變、溫度、裂紋進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，探測(cè)其疲勞和受損傷情況。

M.Dapino等提出了通過(guò)超聲增材制造技術(shù)(Ultrasonic Additive Manufacturing，UAM)將不同的金屬材料、智能材料結(jié)合成智能結(jié)構(gòu)，該智能結(jié)構(gòu)具有在不同環(huán)境下改變形狀結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的功能[19]。UAM指在室溫下通過(guò)超聲波將金屬薄片結(jié)合在一起，逐層結(jié)合固化實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體結(jié)構(gòu)。M.Dapino等利用UAM技術(shù)將形狀記憶合金（SMA）等智能材料結(jié)合到金屬基體中，得到的智能結(jié)構(gòu)可以根據(jù)需求改變形狀(圖11)，而且可以實(shí)現(xiàn)智能結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)和壽命預(yù)測(cè)，該智能結(jié)構(gòu)可用于智能汽車和智能航天器的設(shè)計(jì)制造。

圖11 利用UAM將SMA與鋁基體結(jié)合可實(shí)現(xiàn)形狀結(jié)構(gòu)變化

2.2 柔性機(jī)器人

3D打印智能材料結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于柔性機(jī)器人領(lǐng)域，相比于由硬質(zhì)材料如金屬、陶瓷、塑料制成的傳統(tǒng)機(jī)械，柔性機(jī)器人在醫(yī)療機(jī)器人和仿生機(jī)器人等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用價(jià)值和前景。

M.Landgraf等提出利用DE材料的3D打印技術(shù)制造DE堆棧結(jié)構(gòu)柔性機(jī)械，DE堆棧結(jié)構(gòu)是將多個(gè)DE薄膜驅(qū)動(dòng)器堆疊在一起，同時(shí)加載電壓，使每個(gè)DE智能材料在厚度方向的收縮變形疊加成大收縮變形，堆棧結(jié)構(gòu)DE的傳統(tǒng)制備方法是利用手工或者半自動(dòng)的制造方法將制備好的DE薄膜智能材料逐個(gè)疊加，該方法制造工藝復(fù)雜且難以制造多層DE堆棧結(jié)構(gòu)智能機(jī)械。M.Landgraf等利用噴霧3D打印技術(shù)(Aerosol Jet Printing)將DE基體材料與電極材料逐層打印固化，形成電極材料與DE基體材料交替的DE堆棧式智能柔性機(jī)械。采用DE材料的3D打印技術(shù)制造堆棧式柔性機(jī)械，不僅減少了制造工藝復(fù)雜度和生產(chǎn)時(shí)間，而且提高了制造精度，可制造任意層數(shù)和任意形狀結(jié)構(gòu)的多層DE堆棧結(jié)構(gòu)柔性智能機(jī)械。3D打印智能材料結(jié)構(gòu)必將推進(jìn)柔性機(jī)器人的快速發(fā)展。

2.3 自執(zhí)行系統(tǒng)

S.Felton和M.Tolley等利用形狀記憶聚合物(SMP)的3D打印技術(shù)制造了自執(zhí)行系統(tǒng)(Self-De?ployable Systems)[14-15]。該課題組利用3D打印技術(shù)將形狀記憶聚合物與硬質(zhì)基體材料結(jié)合成智能結(jié)構(gòu)，在外界環(huán)境刺激下由3D打印技術(shù)制造的智能結(jié)構(gòu)可以發(fā)生自組裝和自折疊，自執(zhí)行系統(tǒng)可以應(yīng)用于探測(cè)器和物流等多個(gè)領(lǐng)域[20]。該課題組利用SMP的3D打印技術(shù)將SMP與硬質(zhì)有機(jī)聚合物基體結(jié)合成自執(zhí)行智能結(jié)構(gòu)---蠕蟲機(jī)器人(Inch?worm Robot)，通過(guò)控制蠕蟲機(jī)器人反復(fù)彎曲折疊變形可實(shí)現(xiàn)前進(jìn)運(yùn)動(dòng)（圖12）。同樣，SMP的3D打印技術(shù)還可應(yīng)用于物流領(lǐng)域，可以將三維實(shí)體結(jié)構(gòu)打印成二維結(jié)構(gòu)，在物流過(guò)程中節(jié)省存儲(chǔ)運(yùn)輸空間，需要使用時(shí)通過(guò)外界環(huán)境激勵(lì)使其變形為三維結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)功能。

圖12 SMP增材制造技術(shù)制造蠕蟲機(jī)器人

3 4D打印技術(shù)國(guó)內(nèi)初步研究進(jìn)展

西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)4D打印技術(shù)進(jìn)行了初步研究。

本課題組研究利用熔融沉積成型（Fused De?position Modeling，F(xiàn)DM）3D打印技術(shù)制造IPMC智能材料。常規(guī)熔融沉積成型工藝的材料一般是熱塑性材料，如蠟、ABS、PC、尼龍等，以絲狀供料。材料在噴頭內(nèi)被加熱熔化，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將熔化的材料擠出，材料迅速固化，并與周圍的材料粘結(jié)，逐點(diǎn)累加固化形成三維實(shí)體結(jié)構(gòu)。本課題組將Nafion顆粒狀材料利用熱擠塑技術(shù)制備出Nafion絲材，通過(guò)調(diào)整噴頭溫度將Nafion絲材融化擠出，根據(jù)所需的三維實(shí)體結(jié)構(gòu)逐點(diǎn)累加固化成型。之后將制備出的Nafion三維實(shí)體結(jié)構(gòu)通過(guò)浸泡還原鍍、化學(xué)鍍和電度的方法在Nafion材料表面制備金屬電極。目前，本課題組還在研究利用導(dǎo)電聚合物以及水凝膠與導(dǎo)電顆?；旌象w作為IPMC電極材料，這兩種材料不僅在模量強(qiáng)度上與Nafion材料接近，能夠有效提高IPMC的使用壽命，而且通過(guò)調(diào)整這兩種材料的流動(dòng)性可以進(jìn)行擠出成型，這樣IPMC的電極材料同樣可以通過(guò)3D打印技術(shù)制備。通過(guò)熔融沉積成型3D打印技術(shù)分別逐層固化導(dǎo)電聚合物/導(dǎo)電水凝膠電極材料、Nafion基體材料、導(dǎo)電聚合物/導(dǎo)電水凝膠電極材料，可以實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜形狀I(lǐng)PMC結(jié)構(gòu)的直接3D打印制造。利用3D打印技術(shù)制備的IPMC，在IPMC兩側(cè)電極加載電壓時(shí)，IPMC會(huì)發(fā)生彎曲變形，且達(dá)到了較好的工作穩(wěn)定性和較長(zhǎng)的工作壽命，3D打印技術(shù)制造的IPMC智能材料結(jié)構(gòu)在加載電壓下可以隨著時(shí)間實(shí)現(xiàn)形狀結(jié)構(gòu)的變化，即IPMC材料的4D打印技術(shù)。采用4D打印技術(shù)制備出的IPMC盡管在性能上與傳統(tǒng)方法制備出的IPMC有差距，但是該種方法可以制備出任意復(fù)雜形狀的IPMC三維結(jié)構(gòu)，克服了傳統(tǒng)制備方法只能制備片狀I(lǐng)PMC的困難。

本課題組對(duì)DE材料的3D打印技術(shù)也進(jìn)行了研究。DE基體材料采用可熱固化的硅膠，液體硅膠從噴頭噴射到工作平臺(tái)上之后通過(guò)調(diào)節(jié)工作平臺(tái)的溫度加快液體硅膠的固化速度，電極材料采用可熱固化的硅膠材料與導(dǎo)電顆粒混合物，逐點(diǎn)累加固化電極材料-基體材料-電極材料實(shí)現(xiàn)DE材料的3D打印制造。利用3D打印技術(shù)制造的DE材料在兩側(cè)電極加載電壓后，隨著時(shí)間可發(fā)生厚度方向的收縮和平面面積的擴(kuò)張變形，實(shí)現(xiàn)DE材料的4D打印技術(shù)。DE材料的4D打印技術(shù)為今后制造任意復(fù)雜形狀DE智能材料結(jié)構(gòu)與柔性機(jī)器人的發(fā)展起到重要推進(jìn)作用。

本課題組進(jìn)一步研究了形狀記憶聚合物(SMP)的3D打印技術(shù)。利用熔融沉積成型(FDM)3D打印技術(shù)，SMP材料在噴頭內(nèi)被加熱熔化，噴頭將熔化的材料擠出，材料冷卻逐點(diǎn)累加固化形成任意形狀SMP三維實(shí)體結(jié)構(gòu)。采用3D打印技術(shù)制造的SMP智能材料結(jié)構(gòu)，具有形狀記憶功能，通過(guò)調(diào)節(jié)環(huán)境溫度，SMP智能結(jié)構(gòu)可隨著時(shí)間發(fā)生形狀結(jié)構(gòu)的變化，實(shí)現(xiàn)SMP材料的4D打印技術(shù)。

本課題組將自主研發(fā)的IPMC、DE和SMP材料的4D打印技術(shù)應(yīng)用于微創(chuàng)手術(shù)器械多自由度操作臂的制造研究中。多自由度操作臂是微創(chuàng)技術(shù)未來(lái)發(fā)展的研究難點(diǎn)，目前大多數(shù)操作臂研究圍繞機(jī)械傳動(dòng)與驅(qū)動(dòng)的傳遞方式展開，主要特點(diǎn)是直臂加關(guān)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)分段彎曲和操作功能?；谥悄懿牧辖Y(jié)構(gòu)的柔性操作臂可以設(shè)計(jì)成分段電極控制變形，實(shí)現(xiàn)機(jī)械關(guān)節(jié)的功能。電極施加電壓，作用在智能材料上，可實(shí)現(xiàn)操作臂的多自由度彎曲和轉(zhuǎn)向。這一方法將傳統(tǒng)的機(jī)械關(guān)節(jié)改為通過(guò)電場(chǎng)對(duì)智能材料性能的控制，有可能成為一種剛?cè)嵯酀?jì)的操作臂柔性控制方法。

圖13 4D打印IPMC和SMP結(jié)合形成柔性操作臂結(jié)構(gòu)

本課題組目前正在研究利用IPMC和SMP的4D打印技術(shù)直接制造成型柔性手術(shù)操作臂。采用4D打印技術(shù)將柱狀I(lǐng)PMC與SMP管結(jié)合形成柔性操作臂(圖13)，通過(guò)控制4D打印技術(shù)制造的IPMC彎曲驅(qū)動(dòng)操作臂的多自由度彎曲，4D打印技術(shù)制造的SMP實(shí)現(xiàn)操作臂的剛度可控。利用IPMC的4D打印技術(shù)，逐點(diǎn)累加固化制造柱狀I(lǐng)PMC(圖14)，柱狀I(lǐng)PMC擁有四個(gè)電極，通過(guò)控制不同電極加載電壓方式，可實(shí)現(xiàn)柱狀I(lǐng)PMC沿八個(gè)方向的多自由度彎曲[21-22]。利用SMP的4D打印技術(shù)逐層固化制造SMP管，SMP管設(shè)計(jì)有四個(gè)方形孔洞可以用來(lái)與4D打印制造的IPMC柱狀驅(qū)動(dòng)器組合，構(gòu)成如圖14所示的柔性機(jī)械臂結(jié)構(gòu)。柔性操作臂的剛度控制應(yīng)用的是SMP管的剛度可控功能，4D打印制造的SMP管在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上時(shí)剛度很小，通過(guò)控制多個(gè)柱狀I(lǐng)PMC的彎曲實(shí)現(xiàn)柔性機(jī)械臂的彎曲，彎曲變形達(dá)到指定工作位置時(shí)，將SMP管的溫度降到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下，這時(shí)SMP管剛度大幅度增大，將柔性機(jī)械臂固定在指定位置，支持通過(guò)操作臂內(nèi)部的醫(yī)療工具的手術(shù)操作。本課題組目前還在研究利用DE材料和SMP的4D打印技術(shù)結(jié)合，逐層固化實(shí)現(xiàn)柔性機(jī)械臂結(jié)構(gòu)。

圖14 4D打印制造柱狀結(jié)構(gòu)IPMC

采用新智能材料制造微創(chuàng)手術(shù)操作臂是減少傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)體積，實(shí)現(xiàn)智能材料與復(fù)雜機(jī)構(gòu)結(jié)合的應(yīng)用點(diǎn)，是制造技術(shù)發(fā)展的新挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的機(jī)械制造多是機(jī)械結(jié)構(gòu)件的加工和裝配，新的智能驅(qū)動(dòng)材料與可變剛性材料將改變過(guò)去的剛體結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)方式，以軟體功能材料為主體，設(shè)計(jì)制造具有多自由度和剛度可控的柔性結(jié)構(gòu)體。利用智能材料的4D打印技術(shù)制造智能材料結(jié)構(gòu)，突破過(guò)去微創(chuàng)手術(shù)器械的單一材料和剛性結(jié)構(gòu)，滿足表面柔性、機(jī)構(gòu)剛性、物理特性和抗菌特征的新一代微創(chuàng)手術(shù)器械需求。本課題組將IPMC、DE和SMP智能材料4D打印制造技術(shù)應(yīng)用于柔性操作臂的研究，將改變過(guò)去“機(jī)械傳動(dòng)+電機(jī)驅(qū)動(dòng)”的模式，走向智能材料的原位驅(qū)動(dòng)模式，不再受機(jī)械結(jié)構(gòu)體運(yùn)動(dòng)的自由度約束，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)自由度和剛度可控功能，同時(shí)自身重量也會(huì)大幅度降低。智能材料結(jié)構(gòu)的4D打印技術(shù)將會(huì)對(duì)柔性機(jī)械的研究和發(fā)展起到重要的推進(jìn)作用。

4 4D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

4D打印技術(shù)及其在智能材料結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究尚處于起步階段。但是，其研究和發(fā)展應(yīng)用將對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響。這一發(fā)展趨勢(shì)體現(xiàn)在以下方面。

（1）4D打印智能材料，將改變過(guò)去“機(jī)械傳動(dòng)+電機(jī)驅(qū)動(dòng)”的模式。目前的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要是機(jī)械傳動(dòng)與驅(qū)動(dòng)的傳遞方式，未來(lái)走向功能材料的原位驅(qū)動(dòng)模式，不再受機(jī)械結(jié)構(gòu)體運(yùn)動(dòng)的自由度約束，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)自由度和剛度可控功能，同時(shí)自身重量也會(huì)大幅度降低。

（2）4D打印技術(shù)制造驅(qū)動(dòng)與傳感一體化的智能材料結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)智能材料的驅(qū)動(dòng)與傳感性能融合。EAP材料具有良好的驅(qū)動(dòng)性能和傳感性能，即在電場(chǎng)作用下可以發(fā)生形變，而且隨著其變形可以輸出電壓電流信號(hào)。本課題組將EAP材料的驅(qū)動(dòng)性能與傳感性能結(jié)合，利用4D打印技術(shù)制造驅(qū)動(dòng)與傳感一體化的微創(chuàng)手術(shù)柔性操作臂，操作臂既可以通過(guò)電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)智能材料變形實(shí)現(xiàn)操作臂彎曲，同時(shí)又可以在彎曲變形過(guò)程中通過(guò)智能材料的傳感信號(hào)控制操作臂精確適當(dāng)變形而不傷害到人體組織，解決了傳統(tǒng)微創(chuàng)手術(shù)器械由于缺乏傳感功能而在變形過(guò)程中對(duì)人體造成損傷的問題。

（3）研究發(fā)展多種適用于4D打印技術(shù)的智能材料，對(duì)不同外界環(huán)境激勵(lì)產(chǎn)生響應(yīng)，響應(yīng)變形的形式更多樣化。目前4D打印智能材料的激勵(lì)方式和變形形式比較局限，Skylar Tibbits等目前正在研究開發(fā)可以對(duì)振動(dòng)和聲波產(chǎn)生響應(yīng)的智能材料4D打印技術(shù)，隨著4D打印智能材料的多樣化，4D打印技術(shù)的應(yīng)用將更加廣泛。

5 結(jié)論與展望

本文首先以電活性聚合物和形狀記憶材料為代表綜述了智能材料3D打印技術(shù)和4D打印技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，然后介紹了智能材料3D打印技術(shù)在環(huán)境自適應(yīng)機(jī)構(gòu)、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、柔性機(jī)器人和自執(zhí)行系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用研究，最后介紹了本課題組對(duì)3D打印智能材料和4D打印技術(shù)的基礎(chǔ)研究成果，以及應(yīng)用智能材料4D打印技術(shù)制造微創(chuàng)手術(shù)柔性操作臂的研究。4D打印技術(shù)必將拓展制造技術(shù)的應(yīng)用范圍，為制造技術(shù)展示出了新的發(fā)展前景，為相關(guān)學(xué)科和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供制造技術(shù)支撐。

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4D Printing-Additive Manufacturing Technology of Smart Materials

LI Di-chen1，LIU Jia-yu1，WANG Yan-jie1，WANG Yong-quan1，WANG Shu-xin2
（1.State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering，Xi'an Jiaotong University，Xi'an710049，China；2. Key Laboratory of Mechanism and Equipment Design of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin300072，China）

3D Printing technology of smart materials makes it promising to fabricate complex smart material systems of arbitrary shapes. 4D Printing technology，combining 3D Printing technology and smart materials，refers to the technology to use 3D Printing technology to fabricate smart material systems capable of changing shapes over time in a controlled fashion under external stimuli，such as electric or magnetic field，temperature，moisture，light，pH etc.We review recent advances and applications of Additive Manufacturing technology of smart materials and the development of the novel 4D Printing technology.We also provide a brief outline of our research on Additive Manufacturing technology of smart materials systems and 4D Printing technology.

Additive Manufacturing；Smart Material；Smart Structure

TP24

A

1009－9492(2014)05－0001－09

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.05.001

李滌塵，男，1964年生，重慶南岸人，西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授，博士生導(dǎo)師，機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。兼任中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)特種加工分會(huì)增材制造（3D打?。┘夹g(shù)委員會(huì)主任、摩擦學(xué)分會(huì)人工關(guān)節(jié)與內(nèi)植物委員會(huì)副主任，《Virtual&Physical Prototyping》、《Biofabrication》和《Jour?nal of Bionic Engineering》國(guó)際期刊編委。李滌塵主要在增材制造技術(shù)和生物制造方向開展科研工作。發(fā)表400余篇論文，獲得國(guó)家發(fā)明專利60余項(xiàng)，獲得國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，省部級(jí)科技成果一等獎(jiǎng)3項(xiàng)。

(編輯：阮 毅)

*國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（編號(hào)：51290294）

2014－03－17