4D打印技术在航天及军事领域应用

来源：高端装备发展研究中心

3D打印技术也称增材制造技术，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。然而，尽管增材制造技术能够打印出各式各样的物体，但其不足是打印出来的物体仍需要组装，缺乏柔性和环境适应性，为此科学家提出了4D打印技术。

2011年，OXman提出一种变量特性快速原型制造技术，利用材料的变形特性和不同材料的属性，通过逐层铺粉成型具有连续梯度的功能组件，使成型件能够实现结构改变，这是4D打印思想的雏形。4D打印技术的概念是在2013年由麻省理工Tibbits在TED会议上提出的，他演示了将一段绳状物放入水中后，该物体能自动折成MIT字样的立体结构，由此开启了4D 打印技术的研究热潮。4D打印技术是指由3D技术打印出来的结构能够在外界激励下发生形状或者结构的改变，直接将材料与结构的变形设计内置到物料当中，简化了从设计理念到实物的造物过程，让物体能自动组装构型，实现了产品设计、制造和装配的一体化融合。

4D打印技术

麻省理工大学的Skylar Tibbits与Stratasys Ltd合作，于2013年首次提出4D打印技术。4D打印技术是指打印智能材料，智能材料结构在3D打印基础上实现自身的结构变化，即由3D打印技术制造的智能材料结构，在外界环境激励下可以随时间产生形状结构的变化。4D打印技术相比于3D打印技术增加的一个维度是时间，由3D打印技术制造的智能材料结构可以随着时间进行变化，4D打印制造的三维实体结构不再是静止的、无生命的，而是智能的、可以随外界环境发生相应变化的。借助4D打印技术制造出的智能结构，可以发生由一维或二维结构向三维结构的变化，或者由一种三维结构变形成另一种三维结构。

Skylar Tibbits提出的4D打印技术的核心是智能材料和多种材料3D 打印技术，该课题组开发了一种遇水可以发生膨胀形变（150%）的亲水智能材料，利用3D打印技术将硬质的有机聚合物与亲水智能材料同时打印，二者固化结合构成智能结构。3D打印成型的智能结构在遇水之后，亲水智能材料发生膨胀，带动硬质有机聚合物发生弯曲变形，当硬质有机聚合物遭遇到临近硬质有机聚合物的阻挡时，弯曲变形完成，智能结构达到了新的稳态形状。该课题组制备了一系列由该4D打印技术制造的原型，如4D打印出的细线结构遇水之后可以变为MIT形状，4D打印技术制造出的平板遇水之后可以变化为立方体盒子。

Q. Ge等在2013年提出利用多种材料3D打印技术实现4D打印技术，通过同时3D打印形状记忆聚合物（SMP）纤维和有机聚合物基体，将形状聚合物纤维结合到有机聚合物基体中，制造出的智能材料结构随时间可发生形状结构变化。4D打印技术首先采用多种材料3D打印技术，利用喷头将聚合物液滴喷射到工作平台上，利用刮板将喷射的液滴刮平，之后用紫外光进行固化，逐点累加固化成型一层结构之后工作平台下移一层的高度，逐层固化实现三维结构的制造，3D打印制造出的智能结构由形状记忆聚合物纤维和有机聚合物基体组成。该4D打印技术采用同时3D打印SMP纤维和有机聚合物基体材料，打印成型的智能结构具有形状记忆效应。若将该智能结构与另一有机聚合物材料层结合构成双层结构，通过温度的变化可实现弯曲变形和初始形状之间的转化，而且通过改变SMP纤维的方向角度可以改变智能结构的弯曲变形幅度，从而控制智能结构的变形。

4D打印构成要素

3D打印要预先建模、扫描，然后用相应的材料按照之前的计划完全复制。其输出的对象是固定的、静态的。如果想要更复杂的东西，那么需要打印多个零件，然后组装。4D打印则是直接将想要的形状输入材料，然后打印输出，在特定的条件下，物体会“自动”出现，后续不需要任何组装设备与人员劳作。可以看出，对象前期的形状“编码”和材料选择及输出缺一不可。因此实现4D打印必须有三个要素:几何预编程软件、智能材料及3D多材料打印机。

1 几何预编程软件

2012年MIT与Autodesk公司合作开发出了Project Cyborg设计软件。该软件是一个基于云计算的设计平台，目前以客户端的形式，通过网络——服务器——秘钥的方式提供给客户使用，可用于从纳米级到米级范围的物体设计，且同时提供建模、仿真及多目标优化设计，具有可模拟物体自组装和形变关节点的处理等功能。其目的是通过该软件的设计和演示，以虚拟的方式再现设计对象在现实世界中四维变化的过程。这一应用淘汰了先模拟再建设或建设之后再调整模型的传统方式。配套的硬件与其构成的工作流程可以对仿真过程中最终呈现的物体形态及所使用材料进行实时调整，提供自上而下和自下而上的物理和数字上的设计变革模式。

2 智能材料

所谓智能材料就是指具有感知环境（包括外环境和内环境）刺激，对之进行分析、处理、判断，并采取一定的措施并进行适度响应的智能特征的材料。其特征如下:

智能材料的分类与构成如下表所示。

由于上述智能材料价格昂贵且属性也被限定，因此4D打印更倾向于使用日常材料，如塑料、金属和木材等，并将它们以智能的方法进行结合，通过打印机以不同的厚度和方位来结合和打印这些材料。由于在设计之初，诸如形状变化、自行组装所需的能量的多少等信息都以“编码”的方式包含在材料的属性中，所以打印出来的物体就可随环境变化做出反应，用以模仿由制动器、发动机和传感器来驱动的机器组装设备的运动。这项新科技来自于麻省理工学院的自组装实验室，Skylar Tibbits和他的团队正在对所谓的“可编程的材料”进行试验。研究人员用3D打印机打印出这些物质，然后观察它们在四维空间里改变形状或自动重组成新的模式，使得设计转化成产品时，更高程度的自动化装备过程成为可能。

3 3D多材料打印机

4D打印技术目前主要由3D多材料打印机进行实现。3D多材料打印机不同于多介质打印机，关键区别在于前者可适用于多种“油墨”，而后者是将固定的“油墨”打印在不同的材质上。3D打印的设计过程是:将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即切片，从而指导打印机以层叠薄层的方式逐层打印。

4D打印技术航天领域应用

4D 打印作为一项颠覆性技术，将创造出“可被编程的世界”，实现真正意义上的“智能制造”，对包括航天制造在内的传统制造业产生革命性的影响。例如，美国国家航空航天局利用一种全新的4D打印技术，制作出用于外太空的先进纤维材料。这种材料由一个个微小的金属部分组成，在激光和电子束的精确控制下，通过熔融聚合物或烧结金属粉末逐层叠加，形成链甲般保护航天器的外层材料。不同于以往的3D技术，这种技术打印出来的材料不仅具有一定的几何形状，更是拥有了特定的功能，可以根据需求任意定制形状甚至折叠，还可以直接回收利用，重新打印成新的结构作为其他用途。

4D打印技术军事领域应用

武器装备制造：传统的武器装备制造流程为：制造→部署→使用→报废，而4D的武器装备制造流程为：半成品制造→部署→现场塑造→使用→回收→再部署。4D打印生产的武器装备可根据环境和攻击目标而优化武器攻击性能，从而提高作战效能。值得一提的是4D打印技术可使智能材料感知外光的变化，自动实现与周围环境融为一体，从而改善伪装效果。美国陆军部已投入大量资金开发“自适应伪装作战服”。该作战服的研究和开发如果成功，则具有以下三个方面的典型特色：

大型军用装备构件制造：大型军用构建制造的成本控制一直是个难题，然而利用4D打印技术可以大为改善，我们可以控制智能材料的关键部位或敏感部位，把大型构件设计成折叠状，然后利用3D打印机得到半成品，通过特殊的参数刺激控制来实现大型军用构件的自动展开。例如将4D打印技术应用于军用人造卫星，通过该技术的自动展开和组装功能快速成型帆板和天线等大型构件，将大大减少机械部件的数量和重量，降低发射军用卫星所需成本。

微型军用机器人制造：众所周知，微型机器人在未来战场上执行大量侦察和打击任务，它的优势在于“微”，但目前的微型机器人仍是由大量的齿轮、轴承等机械部件组成，这些部件的存在限制了其体积、重量和能耗进一步“微型化”。4D打印技术将为微小型机器人的制造、运动与变形提供新的技术路线，通过敏感材料的精确设计和控制有望取代齿轮等传统机械部件，实现微型军用机器人的进一步微型和灵活运动，从而显著减小机器人的体积、重量和能耗需求。

军事后勤保障：4D打印技术可将更多武器装备制造成折叠状态，方便远程机动。同时采用4D打印出的半成品将有更强的可塑造能力和环境适应能力，也有望减少装备器材的种类和库存数量，提高后勤效率，发挥更强的作战效能。

4D打印技术研发方向

4D 打印诞生至今，其研究和发展只能说是刚刚开始，应用也尚处于起步阶段，在前进的道路上还需要克服很多障碍。

不过，由于它将对传统物体的结构设计与制造带来非常深远的影响，所以未来应该进行大力研究和开发，尤其是在以下这几个方面。

一是打印材料，要开发适合4D 打印的新型材料特别是智能复合材料。比如，具有传感、反馈、信息识别与积累等特性，具备自我诊断、自我修复和超强适应能力，并能进行判断和适当处理的功能材料；能感受声、光、热、力等外部刺激并产生快速响应（甚至是对时间响应）的智能材料；具有形状记忆效应，能自如地伸缩变形的记忆复合材料；可在电场作用下发生形变，且随之输出电压和电流信号，具有良好驱动性能和传感性能的电活性聚合物材料；能感应压力或结构变化，判断并进行错误校正以达到自我修复作用的自愈合或柔性复合材料。

二是设计软件，要为4D 打印研发具有良好适应性的计算机编程设计软件。比如，适应物体复杂造型设计或复杂功能要求的软件；能更好地将材料变形等要素，按照物体形状和用途等要求内置到材料中，并嵌入逻辑功能的软件；可用于设计物体多尺度、多元素、动态化需要的软件；能对材料三维像素进行编程并与其通信的软件；能响应物体处于不同状态或环境的软件；能按照物体的造型要求，对不同材料进行排列和组合的软件；能将多种设计内置到材料，并实现物体多次自我制造或物体的可逆变形（变回最初形状）的软件。

三是打印机，制造专为4D 打印所用的打印机。比如，能更好“领会”和实现4D 打印意图，更好适应打印环境和要求的打印机；灵活性、可靠性、精确性都很高，操控方便的打印机；具备一定规模，能满足大型制造的商业型打印机；能深入到纳米尺度，为特殊行业所用的打印机。

蓝海长青系列自媒体