4D打印的背景、触发条件及商业应用

导读：4D打印是3D打印技术的下一代，是在3D打印的基础上多加了一个维度。4D打印技术要求打印物体由两部分组成：一个部分可以通过外部刺激（或“触发器”）进行操作，另一个部分充当载体，允许第一个部分进行3D打印。那么，4D打印到底是什么？如何触发4D打印呢?目前的发展如何呢？



背景


△4D 打印的功能令人惊讶

在 4D 打印Z初被接受的实例中，研究人员利用 3D 打印的快速原型制作能力来创建响应性材料。20 世纪 90 年代末，围绕响应式或智能材料开发开展了大量研究项目。2003 年，东京大学的Yasuyuki Sakai使用一种类似于现有立体光刻(SLA) 打印机的技术来 3D 打印聚合物，该聚合物在暴露于紫外线时会发生变化（溶解）。此前，在 20 世纪 90 年代，其他水凝胶已经被制成可以响应 pH、光、电荷和温度，但上述案例是第一个使用自制3D打印机做成的。

“4D 打印”一词于 2012 年创造，作为生物打印的战略用途，这是一种在 3D 打印机可用性增加后为水凝胶打印开发的技术。如今，4D 打印通常被理解为在 3D 打印机上创建的智能材料。这个定义的普及很大程度上要归功于麻省理工学院自组装实验室的创建者Skylar Tibbits。


△您希望 3D 打印能做什么？

您可能在自己的 3D 打印中经历过意外的变化 ，例如，当使用ABS进行打印时，零件在打印过程中开始变形。随着时间的推移，这种变化会随着环境温度或打印平台板温度过低而发生。4D打印的概念是控制这种变化何时以及如何发生。

在 FDM 和树脂打印机中，整个过程通常基于打印材料对热和紫外线的响应而发生的变化。这些刺激也称为触发机制，使材料在环境温度下保持所需的形状。在 FDM 中，由热量引起的变化可以逆转，因此可以对零件进行“编程”，使其在某个触发温度（如玻璃化转变点）软化，或在熔点熔化。

一般来说，4D打印的结果是一个动作，但研究人员还设计了其他响应，例如：

●化学品释放
●电路的断开或闭合
●表面积或密度的变化
●颜色和透明度的变化
●材料的强化或弱化

总之，4D 打印产生的编程对象在暴露于触发器时执行其 3D 打印“代码”，并且可以随着时间的推移观察和量化编程的变化。

触发器和材料


△自组装线浸入水中时会折叠成立方体

每个 4D 打印过程都需要能够对触发器做出反应的智能材料，这些材料甚至可以根据其触发因素进行分类。水、热、光和电流是常见的触发因素，但还有其他触发因素，以下将讨论Z常见的触发器。

水
水被认为是生命存在的原因之一，有些物质（例如脂肪和油）与水接触时不会形成混合，而是形成液滴或球体。这种球形形状允许接触，但水和其他物质之间的表面量Z少，并且势能Z小，这一特点激发了研究人员开发可在日常生活中使用的智能材料的灵感。水还比空气具有更大的热容，因此大多数温度敏感智能材料都在水中使用。

一组对水表现出这种反应的 3D 打印材料被称为水凝胶。水凝胶是一种具有附加键的聚合物，可将化学结构从链状变为网状。这种网状结构不溶于水，但充满液体，使水凝胶具有液体和固体样的行为。您可能已经在日常生活中使用水凝胶：例如隐形眼镜、卫生用品或伤口敷料。大多数水凝胶在放入水中时会膨胀或收缩，这可用于设计响应。4D 打印水凝胶Z突出的用途之一是利用这种膨胀和收缩效应来充当执行器或阀门打开和关闭。

水凝胶用于智能材料研究已有三十多年了。它们已被 4D 打印成可变形和形状记忆的物体。在一些项目中，它们被设计成不仅能对水做出反应。然而，水是水凝胶的重要组成部分，它的存在可以改变水凝胶在许多其他情况下的反应方式。

紫外线 (UV) 光


△紫外线的几种使用方式

当应用于智能材料时，紫外线可充当能量来源，这种波长的光可以有针对性地用于产生热量、刺激光引发剂或在材料内产生交联，是一个非常实用的触发器，因为它只需要将 4D 打印件暴露在阳光下。

基于紫外光的 4D 打印应用研究Z多的材料是紫外反应凝胶、环氧树脂和液晶弹性体 (LCE)。大多数情况下，当它们包含在 4D 打印中时，它们对紫外线的响应是混合光引发剂内的化学反应，使它们能够在其他液体部分之间建立桥梁。当凝胶、树脂或弹性体连接在一起时，它们的分子量增加会降低它们的熔点并使其变成固体。在这些情况下，桥梁创建的结构可以作为记忆形式；当弯曲或扭曲时，物体可以恢复到这个记忆状态。

改变光的强度或波长可用于产生热量，从而破坏或替换这些桥梁，从而使 4D 打印物体改变形状。这已被用来创建复杂的智能对象，例如自动打开和关闭的花朵。紫外线产生的热量还可用于将 FDM 3D 打印中常用的聚合物的温度升高到如上所述软化或熔化的温度。

磁力、电流和电磁学


△通过喷墨打印制成的导电且可变形的金属凝胶

由于大多数天然稀土磁体在受热时会失去强度，因此无法在FDM打印或在固化过程中与树脂接触。但是它们可以被附着或放置到 3D 打印物体中，使打印物体在接触金属或金属物体时被吸引或排斥。如果打印材料是用金属注入或合金丝制成的，则打印件具有独特的与其自身相互作用的能力。

如果导电材料和热响应材料适当组合，4D 打印物体在施加电流时可以产生热量。含有石墨烯或碳纤维等材料的导电 FDM 丝具有足够高的内阻，当施加电流时它们会释放热量。如果这些长丝与其他具有低玻璃化转变温度的 FDM 长丝（例如 PLA）熔合，则可以实现软化目标。

可以承载电流的材料也会产生与电流方向相关的正交磁场，这种现象称为电磁现象，是一种避免稀土磁体磁性损失同时达到相同效果的方法。创建3D打印电磁体的能力为3D打印继电器和其他简单电子设备开辟了可能性。

研究与商业应用


△4D打印水凝胶可以植入人体

研究实验室和商业开发人员专注于将物体所需的形状“编程”到标准材料的微观结构中。在 4D 打印方法的商业化生产方面似乎取得Z大进展的领域包括水凝胶、智能丝和各种功能设备，有些甚至可能出现在日常生活中。

●水凝胶
水凝胶是Z早为智能或可编程应用而设计的材料之一。水凝胶仍然处于研究的前沿，并且已经应用于解决现实世界的问题。哈佛大学Wyss 研究所致力于开发生物医学和医疗保健应用，而卧龙岗大学则是第一个 4D 打印水阀的所在地。

4D 打印水凝胶Z有前途的应用之一是应用医学中的心脏贴片。乔治华盛顿大学的研究人员通过合作创造了一种 4D 打印贴片，可以通过手术植入来替换受损组织，并帮助心脏在心脏病发作后进行自我修复。他们使用光束扫描立体光刻打印机、甲基丙烯酸明胶和聚乙二醇二丙烯酸酯为人类诱导的多能干细胞衍生的心肌细胞创建支架，具有形状调节功能并参与肌肉收缩，同时帮助心脏修复附近的组织。

用于 4D 打印的水凝胶开发研究在大多数大学都很常见，3D Systems和 Stratasys 等 3D 打印巨头正在推动医疗保健应用的持续研究。即使有所有这些支持，市场上仍然缺乏使用 4D 打印技术生产的商业产品。这很讽刺，因为 3D 打印用于制造医疗保健领域的保持器、牙种植体、支架和功能性修复体的模具或Z终版本，但 4D 打印本身尚未转化。

●智能线材


△Hatchbox 的光触发变色线材

Scion Research开发了一种灵活的变色 4D 线材，可随着温度的变化从黑色变为黄色。许多线材制造商都提供类似的产品，Hatchbox提供的线材会因暴露在阳光下而改变颜色。

斯图加特大学的研究人员设计了用于 4D 打印的湿度反应丝。由这种长丝制成的打印品能够根据空气中的湿度而按照设计拉伸、延伸和移动。普渡大学正在进行一项正在申请专利的研究，该研究允许将充当嵌入式应变计的传感器颗粒添加到细丝中。

●功能设备、打印机和策略


△一种对外力具有程序化响应的材料

总而言之，4D 打印领域的大多数创新都是在现有 3D 打印方法的基础上实现的，无论是使用生物喷射、喷墨、激光烧结、FDM 还是树脂打印，研究人员都在寻找修改和组合多种技术的方法，使现有 3D 打印材料能够用于 4D 打印。以下是正在开发的项目的概要：

新加坡科技设计大学：研究人员开发了一种新工艺，将多种 3D 打印方法集成为一种。为此，研究人员使用了市售的多材料 3D 打印机，该打印机经过增强，可以在 4D 打印中包含更广泛的材料。

乔治华盛顿大学：研究人员在 4D 生物打印技术方面取得了进展，该技术可创建用于神经再生的多响应“智能结构” 。这项研究使用 SLA 打印机和石墨烯混合物，利用应力诱导的形状变换来发送信号。

德累斯顿工业大学：科学家们开发出了一种方法，可以在挤出机热端存在磁场的情况下3D 打印与铁颗粒混合的 TPU 长丝，从而赋予打印件磁性行为。

北卡罗来纳州：研究人员使用导电凝胶来制造喷墨打印的导电 4D 设备。

埃因霍温理工大学： Perflex是作为软件开发的，用于创建 3D 打印的可膨胀织物，以减少衣物浪费。该技术已在Fabrix等软件中得到采用。

麻省理工学院的自组装实验室：许多人正在等待这个颇具影响力的研究实验室发布某种形式的 4D 打印设计软件或 4D 模拟软件。

美国陆军研究中心：美国陆军研究中心与伊利诺伊大学、哈佛大学维斯研究所和匹兹堡大学合作，创造了一种专有织物，可以根据光线改变颜色，根据温度变得更透气，并且当受到外力时结构会变硬。