4D打印何時(shí)到來？113
想象一下，買鞋可以自我調(diào)整到你的腳，或開發(fā)一種醫(yī)療設(shè)備，當(dāng)特定的刺激觸發(fā)時(shí)，可以完美地適應(yīng)患者的解剖結(jié)構(gòu)。這些只是4D打印的一些潛在用途 - 一個(gè)令人興奮的，不斷增長的研究領(lǐng)域。 雖然4D打印可能看起來像科幻小說中的東西，但Gartner預(yù)測(cè)到2023年將投入3億美元用于4D打印，盡管該技術(shù)仍然遠(yuǎn)離商業(yè)可用性。那么4D打印究竟是什么呢？它如何使制造商受益？今天的?，F(xiàn)小編將介紹4D打印的工作原理，以及該技術(shù)的當(dāng)前和未來應(yīng)用。 什么是4D打??？4D打印使3D打印對(duì)象能夠隨時(shí)間改變其形狀。術(shù)語“4D打印”是指這另外的第四維：時(shí)間。 這項(xiàng)新興技術(shù)將3D打印技術(shù)與高級(jí)材料科學(xué)，工程和軟件相結(jié)合，材料在4D打印中起著至關(guān)重要的作用，因?yàn)樵摷夹g(shù)使用專門設(shè)計(jì)用于對(duì)特定刺激作出反應(yīng)的材料，可以導(dǎo)致制造物體轉(zhuǎn)變的常見刺激包括溫度變化，光，水，磁場(chǎng)以及化學(xué)和其他環(huán)境因素。當(dāng)由外部源觸發(fā)時(shí)，4D打印物體可以以預(yù)定形狀折疊或展開，為我們將在下面探索的一系列令人興奮的應(yīng)用打開大門。 4D打印與3D打印有何不同？3D打印是一種快速原型制作技術(shù)，可逐層沉積材料以創(chuàng)建三維物體。從根本上說，4D打印使用與3D打印相同的技術(shù)來創(chuàng)建零件。關(guān)鍵的區(qū)別在于，一旦打印，4D打印對(duì)象會(huì)隨著時(shí)間的推移而改變其形狀，而3D打印對(duì)象則保持相同的固定形式。 在4D過程中，添加了一個(gè)幾何代碼，其中包含關(guān)于一旦受到刺激觸發(fā)后形狀如何移動(dòng)或改變的“指令”。該預(yù)編程步驟可以創(chuàng)建能夠適應(yīng)特定環(huán)境因素的智能響應(yīng)對(duì)象。 4D打印如何工作？掌握4D打印首先需要了解材料如何對(duì)某種刺激作出反應(yīng)。利用這種材料行為知識(shí)，工程師可以設(shè)計(jì)出一種材料結(jié)構(gòu)不同的物體。基于數(shù)字CAD設(shè)計(jì)，然后在單個(gè)或復(fù)合材料中3D打印模型。一旦打印過程完成，預(yù)編程的幾何代碼將指示對(duì)象的不同區(qū)域應(yīng)如何對(duì)特定刺激做出反應(yīng)。 通過這種方法，工程師可以創(chuàng)建采用預(yù)定形狀的組件，或者在由特定刺激觸發(fā)時(shí)以某種方式折疊和展開。
雖然前三種材料通常使用聚合物基材料，但常見的SLM材料是金屬。值得注意的是，最近4D打印的進(jìn)展很大程度上歸功于Material Jetting技術(shù)的進(jìn)步，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)多材料打印。該技術(shù)通過噴射材料液滴來工作，從而可以嚴(yán)格控制其沉積。 哪種材料可以4D打印？正如我們所見，該技術(shù)使用專門設(shè)計(jì)的“智能”材料，這些材料具有一個(gè)或多個(gè)可由外部觸發(fā)器更改的屬性。雖然由于技術(shù)的早期階段，4D打印材料的產(chǎn)品組合仍然相當(dāng)有限，但我們已經(jīng)概述了一些可用于以下4D打印的最有希望的材料： 水凝膠水凝膠是聚合鏈的親水網(wǎng)絡(luò)，其可以保留大量的水。水凝膠可用于UV固化3D打印技術(shù)，并可根據(jù)溫度變化進(jìn)行編程以改變形狀。由于它們的組成主要是水，因此水凝膠具有生物相容性，因此特別適合醫(yī)療應(yīng)用。水凝膠還可用于軟機(jī)器人和柔性電子設(shè)備等應(yīng)用。 去年，羅格斯大學(xué)的工程師開發(fā)了一種4D打印方法來制造一種智能凝膠，可以幫助在人體器官和組織中創(chuàng)造生命結(jié)構(gòu)。使用的材料？水凝膠。 在該應(yīng)用中，水凝膠材料在暴露于溫度變化時(shí)改變形狀。除了進(jìn)一步推動(dòng)生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用之外，這一發(fā)展還可以實(shí)現(xiàn)軟機(jī)器人的新應(yīng)用，包括柔性傳感器和執(zhí)行器。 形狀記憶聚合物形狀記憶聚合物（SMP）是聚合物智能材料，當(dāng)暴露于外部刺激時(shí)，其能夠從固定的臨時(shí)形狀轉(zhuǎn)變?yōu)槠湓夹螤睢?/span> 由于其有效的驅(qū)動(dòng)能力（移動(dòng)和控制機(jī)構(gòu)或系統(tǒng)的能力），SMP已經(jīng)在航空航天，軟機(jī)器人，生物醫(yī)學(xué)和其他領(lǐng)域中找到了各種應(yīng)用。 形狀記憶合金形狀記憶合金（SMA）是智能金屬材料，與SMP類似，保留其原始形狀的“記憶”，并且可以在刺激下變形后恢復(fù)到原始形狀。SMA可用于各種領(lǐng)域，例如航空航天，土木工程和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備。 陶瓷去年，香港城市大學(xué)的一個(gè)研究小組展示了一種新型陶瓷油墨，它結(jié)合了聚合物和陶瓷納米顆粒。用這種油墨印刷的3D印刷陶瓷前體是柔軟的，并且可以拉伸超過其初始長度三倍。該材料的一些有希望的應(yīng)用包括電子設(shè)備以及航空航天工業(yè)中的應(yīng)用。
令人興奮的4D打印應(yīng)用4D打印為當(dāng)今制造產(chǎn)品的方式帶來了令人興奮的潛力。讓我們來看看4D打印更詳細(xì)的可能性。 航天生產(chǎn)對(duì)外部因素起反應(yīng)的智能材料的能力是航空航天工業(yè)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。這里，4D印刷可用于制造用于通風(fēng)，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻和其他類似用途的自展開結(jié)構(gòu)。 空中客車公司與麻省理工學(xué)院的自組裝實(shí)驗(yàn)室合作，已經(jīng)開始使用4D打印技術(shù)開發(fā)出一種解決方案，可以根據(jù)溫度和其他因素對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行冷卻。 在一個(gè)示例中，空中客車公司和麻省理工學(xué)院致力于開發(fā)一種空氣入口組件，該組件可以響應(yīng)于空氣動(dòng)力學(xué)條件而變換以降低空氣阻力。創(chuàng)建的進(jìn)氣口可以自動(dòng)調(diào)節(jié)，以便自動(dòng)控制用于冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)的氣流。使用碳纖維，工程師對(duì)材料進(jìn)行編程，使其能夠響應(yīng)壓力。該入口已在風(fēng)洞中成功測(cè)試，并可在將來用于代替目前執(zhí)行此任務(wù)的重型機(jī)械系統(tǒng)。 太空任務(wù)也可以從4D打印中受益。例如，佐治亞理工學(xué)院的研究人員使用形狀記憶聚合物來3D打印由支柱制成的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)暫時(shí)折疊平放，但在受熱時(shí)可以展開。研究人員相信他們的發(fā)明可用于制造航天器和變形軟機(jī)器人的天線。 防御3D打印對(duì)國防工業(yè)的好處是廣泛的。現(xiàn)在，業(yè)界正在尋求更多應(yīng)用的4D打印。4D打印更有前途的用途之一可能涉及軍用制服，可以改變其偽裝或更好地防止接觸時(shí)的有毒氣體或彈片。研究人員還在探索軍隊(duì)使用自組裝物體的方式，包括自行裝配的庇護(hù)所或橋梁的可能性。 醫(yī)療4D打印在醫(yī)療領(lǐng)域的潛力是巨大的。在這里，該技術(shù)可用于從組織工程和智能生物醫(yī)學(xué)裝置到用于化學(xué)療法的納米顆粒和納米機(jī)器人的制造的應(yīng)用。 例如，麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)了一種注入磁性微粒的3D可印刷油墨。用這種材料印刷的3D結(jié)構(gòu)是磁性的，因此可以遠(yuǎn)程控制，該技術(shù)可用于制造可通過胃腸道引導(dǎo)的裝置，以獲取圖像，提取組織樣本，清除堵塞或?qū)⒛承┧幬镙斔偷缴眢w的特定區(qū)域。 4D打印的另一個(gè)潛在應(yīng)用在于組織工程。在該領(lǐng)域中，生物相容性水凝膠可用于印刷人造皮膚用于移植物甚至植入物，其能夠在沒有外界干預(yù)的情況下改變形狀和功能。 汽車麻省理工學(xué)院自組裝實(shí)驗(yàn)室合作，寶馬的工程團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種能夠自適應(yīng)氣壓變化的4D結(jié)構(gòu)。[圖片來源：寶馬]早在2016年，寶馬展示了其概念車的未來主義愿景，其中包括4D打印。其中一個(gè)要素包括使用4D打印生產(chǎn)可適應(yīng)不斷變化的環(huán)境條件的汽車零部件。 雖然這只是一個(gè)概念，但兩年后，汽車制造商與麻省理工學(xué)院的自組裝實(shí)驗(yàn)室合作，宣布 創(chuàng)建一個(gè) 可以根據(jù)氣壓變化進(jìn)行自我調(diào)節(jié)的可充氣4D結(jié)構(gòu)。充氣材料由硅膠制成，體現(xiàn)了寶馬的自適應(yīng)設(shè)計(jì)理念。可以使用4D結(jié)構(gòu)的一種方式是用于汽車座椅，提供適應(yīng)性支撐和舒適性 - 或甚至用于安全氣囊形式的沖擊性能。 消費(fèi)品可編程表是麻省理工學(xué)院自組裝實(shí)驗(yàn)室與Wood-Skin Srl合作的結(jié)果 - 該原型能夠轉(zhuǎn)換為全功能。[圖片來源：自組裝實(shí)驗(yàn)室]消費(fèi)產(chǎn)品的生產(chǎn)是另一個(gè)可以通過4D打印重新構(gòu)想的領(lǐng)域。例如，該技術(shù)可用于制作像椅子和桌子一樣的扁平家具件，當(dāng)觸發(fā)時(shí)它們將自組裝。一旦購買，4D印刷家具就會(huì)將自己拉到一起 - 無需打開盒子并手動(dòng)組裝所有部件。最終，這可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品需要更少的存儲(chǔ)空間并使運(yùn)輸更容易。 4D印刷：下一件大事？4D打印是一個(gè)迷人的領(lǐng)域，為制造業(yè)提供了令人興奮的可能性。制作具有可編程功能的對(duì)象的能力可以改變商品的生產(chǎn)方式。然而，重要的是要注意這里討論的大多數(shù)項(xiàng)目仍處于研究和實(shí)驗(yàn)階段 - 并且該技術(shù)在商業(yè)上具有商業(yè)可行性之前還有很長的路要走。 但是，隨著研究的繼續(xù)，4D打印的影響可能是巨大的，涉及各行各業(yè)的應(yīng)用程序。 實(shí)際上，在我們看到4D打印的主流應(yīng)用之前，需要幾年甚至十年甚至更長時(shí)間。也就是說，該技術(shù)看起來將遵循3D打印的演變，成為制造業(yè)中的下一個(gè)顛覆性技術(shù)。 |