北京化工大学《自然·通讯》：提出“4D注塑成型”

注塑成型是大规模生产塑料、橡胶、金属、陶瓷乃至复合材料部件的基石工艺。传统注塑的核心目标始终是最大限度地减少翘曲变形，确保尺寸均匀性和高重复性。然而，一个长期存在的挑战是，材料在复杂模具型腔中非均匀的体积收缩（Δν）会不可避免地导致非期望的翘曲变形。数十年来，研究者们致力于通过模具补偿、随形冷却和先进过程控制来抑制这一缺陷，但“零翘曲”在理论上几乎无法实现。

北京化工大学王建教授及其合作者提出了一种名为“4D注塑成型”的变革性方法。该方法反其道而行之，将原本被视为缺陷的收缩与翘曲，转变为一种可控的、可编程的设计特性。这里的“4D”指的是制品在脱模后随时间（t）发生的形状演变。通过利用材料固有的固化收缩，并结合局部热激活和选择性模内键合两种核心技术，该方法能在时空维度上调控温度和压力分布，从而仅用一副模具就制造出具有复杂、定制化几何形状的功能部件。集成预测模型与多目标响应优化后，该方法实现了快速、可扩展且成本高效的大规模定制。相关论文以“4D injection molding”为题，发表在Nature Communications上。

图1 | 注塑成型部件的时空收缩与变形机制。 a. 非晶态和半结晶聚合物的压力-比容-温度（pνT）图，说明了注塑过程中压缩性（ν(p)）和热收缩性（ν(T)）。插图为分子结构对比，显示半结晶聚合物具有有序区域和更大的固态收缩（Δν）。 b. 模具、注塑机及工艺参数对时空Δν的影响。三个不同区域的T（Ts1, Ts2, Ts3）和p（ps1, ps2, ps3）变化导致非均匀的ν（vs1, vs2, vs3）以及不同的ΔνII和ΔνI2。调节工艺参数（Tmelt, Tmold, pinj, ppack, tinj, tpack, tcool）可控制Δν（Δνs1, Δνs2, Δνs3）。 c. 空间Δν（Δνs1 + Δνs2 + Δνs3）和时间Δν（ΔνII + ΔνI2）。 d. 变形机制：翘曲发生在Δν↑较大（梯度驱动）和Δν/Δt↓较慢（动力学驱动）的区域。 e. 4D注塑成型策略：局部热激活和选择性模内键合通过产生不均匀的T、p、厚度和取向，诱导弯曲/扭转变形。

研究团队首先展示了“局部热激活4D注塑成型”。他们在一个三叶片聚丙烯叶轮模具的背面集成了多个陶瓷加热元件（图2a）。当单独激活不同位置的加热元件时，可诱导出弯曲、扭转甚至反向翘曲等多种变形模式，远超传统注塑的变形能力（图2b）。通过响应面方法，研究者建立了加热元件电压与叶片边缘轴向位移之间的预测模型。基于此模型，他们能够反向计算出实现0、1、2、3和4毫米特定目标位移所需的电压组合（图2c, 2e）。实验验证结果显示，预测值与实际值高度吻合（图2d, 2f），证明了该技术可编程控制形状的能力。

图2 | 局部热激活4D注塑成型。 a. 集成了实验模具和定制化局部热激活系统的三叶片叶轮注塑机示意图。 b. 加热元件1在24V激活下的热学和变形响应：加热元件和部件背面的模拟温度分布、模拟和实验的模具型腔表面温度；面内（ΔνII）、面外（ΔνI2）和总轴向（Z方向）位移。 c. 基于RSM模型，针对0、1、2、3、4 mm目标位移，为八个加热元件反向计算出的电压（顶部及表格），实现可编程变形。 d. 模型预测位移与模拟验证位移随目标值的变化关系。 e. 基于RSM模型，针对0、1、2、3、4 mm目标位移，为八个加热元件反向计算出的电压（顶部及表格），实现可编程变形。 f. 模型预测位移与实验验证位移随目标值的变化关系；误差棒表示实验测量值的范围。

第二种核心技术是“选择性模内键合4D注塑成型”。该方法在注塑前，将预先制备的薄片（如聚丙烯薄片）选择性地放置在模具内的特定位置，在注塑过程中与熔体键合。键合区域因厚度差异和界面效应会形成局部的温度和压力梯度（图3b），从而诱导可控的定向变形。研究者分别在十字形、手形和毛毛虫形部件上验证了该方法的普适性（图3a, 3e, 3g）。通过响应面方法优化注塑工艺参数（熔体温度、保压压力、保压时间和冷却时间），同样实现了从0.5毫米到3.6毫米不等的精确可编程位移（图3c, 3d, 3f）。位移随键合位置与浇口距离的变化关系也得到了量化（图3h）。

图3 | 选择性模内键合4D注塑成型。 a. 具有三种结构（十字形、手形、毛毛虫形）可互换型腔的实验模具。键合位置以红色高亮。 b. 带有近浇口键合部件的十字形部件模型。仿真结果包括充填结束时的熔体前沿T和p分布，以及预测的变形：面内（ΔνII）、面外（ΔνI2）和总轴向（Z方向）位移。 c. 基于RSM模型，使用反向计算的变量（I-V）（底部及表格）生成的可编程形状部件，对应目标位移。 d. 模型预测位移与实验验证位移随目标值的变化关系。 e. 带有四个键合位置的手形部件模型。模拟的轴向位移以及基于RSM模型使用反向计算变量（II-V）制造的可编程形状部件。 f. 模型预测位移与实验验证位移随目标值的变化关系。 g. 带有四个键合位置的毛毛虫形部件模型。在Bond 1-4位置单点键合部件的模拟轴向位移及相应的实验制造部件（底部）。 h. 位移随距浇口位置变化的函数关系。

研究进一步将4D注塑成型拓展至复合材料领域。他们将连续玻璃纤维增强聚酰胺6预浸带作为键合嵌件，以短玻纤增强聚酰胺6为基体材料，通过选择性键合和纤维取向（纬向平行于流动方向，经向垂直于流动方向）来控制变形和力学性能（图4a）。实验结果表明，纤维取向和键合位置共同决定了部件的翘曲方向与弯曲形态（图4b）。相比未键合部件，键合部件的弯曲强度和模量得到显著提升，但断裂应变有所下降（图4c）。通过全因子响应面设计，研究者实现了对翘曲、强度、模量和断裂应变的多目标调控。

图4 | 用于复合材料的4D注塑成型。 a. 一副模具中的两个型腔模型，其中连续玻纤增强PA6预浸料部件（纤维方向为纬向和经向，分别平行和垂直于流动方向）沿一个型腔在三个位置（Bond 1-3 和 Bond 1‘-3’，从浇口到末端）选择性键合。 b. 制备的CGF/SGF-PA6部件对应于a中模型的实验测量变形。 c. 无键合、纬向键合和经向键合部件的最大翘曲、弯曲强度、弯曲模量和断裂应变比较。结果表示为实验测量值的平均值±标准差。

在弹性体应用方面，研究团队展示了4D注塑成型在软体机器人领域的潜力。通过调节热塑性聚氨酯的注塑工艺参数（如降低保压压力、缩短保压和冷却时间），即可在无需复杂模具的情况下，直接获得具有不同程度卷曲变形的手形部件（图5a）。这些卷曲的手指可产生高达0.7牛的抓取力，适用于抓取不同形状和重量的物体（图5b, 5c）。更进一步，通过将磁性Fe₃O₄/TPU复合薄片选择性键合到TPU部件上，研究者制造出了具有磁响应功能的软体抓手和柔性开关（图5d, 5f, 5g）。这些部件在磁场作用下可发生可控变形（图5e），并能用于物体转移（图5g）。

图5 | 用于弹性体的4D注塑成型。 a. 表现出不同变形的TPU部件。 b. 手形TPU样品的拉伸力测量。每个手指单独测试。部件1和2在Tmelt = 220°C, ppack = 28 MPa, tcool = 20 s条件下制备，但tpack分别为3和5秒。 c. 手形TPU部件展示用于抓握物体（如铅笔、夹子、球等）的各种卷曲变形。 d. 在不同位置键合了Fe₃O₄/TPU的TPU部件。 e. 键合了磁性TPU/Fe₃O₄的手形TPU部件的磁场诱导变形，与TPU/Fe₃O₄（5/5）条带的变形对比。 f. 使用键合了Fe₃O₄/TPU部分的毛毛虫形TPU部件实现的磁驱动柔性开关。 g. 通过键合了Fe₃O₄/TPU部分的TPU部件实现物体搬运与转移。

总体而言，4D注塑成型将注塑成型的高通量生产优势与可编程变形的设计自由度完美结合，无需更换模具即可生成多种几何形状，显著降低了模具摊销成本并加速了产品开发。该技术适用于从聚合物、复合材料、弹性体到潜在金属、陶瓷甚至生物降解材料在内的广泛材料体系。尽管在变形分辨率、模具复杂性和键合工艺稳定性方面仍存在挑战，但4D注塑成型无疑为大规模定制化、自适应功能部件的制造开辟了新纪元，在可部署消费品、可变形穿戴设备、航空航天系统以及刺激响应软体机器人等领域展现出广阔的应用前景。