4D打印及其军事应用前景(二)

阅读 1761 发布时间:2017-01-04 14:43

二、4D打印在军事上的应用前景广阔

 以上分析可以看出,相对于3D打印,4D打印最重要特点是,它能直接把设计以编程的方式内置到打印材料当中,并于打印后,在预定环境中或在特定激励下让物体变形为所要的形状或功能,这就简化了从设计理念到实物的制作过程,实现了让打印出的物体如机器般自我创造,而无需再连接任何复杂的机电设备,也不需再消耗额外的人力和工时,并且可先打印出极其简单形状或功能的物体,然后在预定条件下或通过特定的外部激励,使该物体自我转变成具有复杂结构或功能的另一种物体。正因为4D打印的自我制造和变化等特性,它应该比3D打印在军事上具有更大的应用前景,可能成为战斗力的又一个增长点。

 我们可以想象一下,用4D打印制作出的防护服,不但轻薄和耐用,还有很强的综合防护能力;可以遇雨防雨、遇热防热、遇毒防毒,甚至遇刀防刀、遇弹防弹,在战场上更有效地保障军人的生命安全。而且这种防护服也能像变色龙一样,其迷彩和斑块的明暗与大小,随着光线的强弱以及周边植被或地形、建筑物等的颜色发生变化——白天和晚上不同,室内和室外不同,森林和沙漠不同。总之,防护服的色彩能根据周边环境自动变化或调节,使穿着它的军人完全融入周边的背景中,极大地增强军人行动的隐蔽性,并有利于达成“隐蔽自己、消灭敌人”的目的。此外,防护服的透气性和保暖能力及尺寸和贴身程度,都能根据季节和气温进行调节,在充分保证穿着舒适度的同时,不降低行动的敏捷性。也许,这样的防护服还能在特定的场合或刺激下,在你眼前发生更多让人目瞪口呆的变化。比如,慢慢地展开变形为一顶帐篷,一个大的背包,一只小船;甚至是一具能飞跃山涧或滑向山下的外骨骼滑翔衣,从而满足不同作战任务或特定场合作战的需要。

 除了打印防护服外,4D打印在军事领域的其他方面也有很大的潜在应用价值。比如,打印多功能的综合性的隐身材料,它能使战机、军舰和装甲车辆等作战平台既能在更宽的频段实现雷达隐身,同时让其有红外和可见光隐身特性;打印自修复或自愈合材料,它能使武器装备出现裂缝或被射弹击中时,通过膨胀和伸展或渗出修复液,实时对缝隙或弹孔自动填充和固化;打印在特定刺激下的自我分解材料,它能使包含重要信息的纸质文件、移动存储载体以及重要场所和保险柜的钥匙、门卡等,在丢失或被盗取后自动碎毁或解体;打印战机的自适应机翼和尾翼,它们能根据高度、气压、温度、速度或转弯半径等的不同,自动调节或改变形状和大小,时刻保持战机最佳的气动特性和外形,确保它以最优的飞行状态遂行作战任务;打印作战平台和轮式车辆的自我变形轮胎,它能随路面、天气、环境或承重、受力等的不同,自动调整或改变贴地面积,增强平台和车辆的运动平稳性和机动性;打印武器装备的零部件以及伪装(假目标和诱饵等)、救护、障碍物、储物箱、抛物面天线等结构简单的大型器材和装备,它们最初都是简单的片状或平板形状,占据的面积和空间都很小,且不易损坏、便于远程运输、保管和机动,一旦到作战地域就能变身为所需要的形状,而且伪装器材和障碍物还能做到与地形地貌的有机融合,更好地适应战场环境,发挥出严丝合缝般的隐蔽伪装效果;打印卫星等军用航天器的天线或太阳能阵列面板,它们在地面发射时都是占用体积最小的可折叠型平板,但一到空间真空环境,就能自动展开成预定的形状,从而大大简化了火箭的设计和构型,降低了它的发射难度。

三、4D打印道路虽然曲折但前途光明

 自从2013年2月,4D打印的概念首次披露以来,人们对它的认识和理解不断深入,它本身也有了很多新的进展和应用。据媒体报道,美国

麻省理工学院已经用木头、橡胶、塑料和碳纤维等材料实现了简单结构物体的4D打印,还用4D打印制作出了世界上首件连衣裙,进一步表明了其应用潜力;澳大利亚推出了一种更好的叫做水凝胶的4D打印材料,将会极大促进4D打印的发展。虽然如此,不可否认的是,4D打印还很年轻,尚处在待开发状态,人们只是触及到了它的表皮,现阶段它无论是打印材料、制作过程还是软件设计,都存在许多难以克服困难。诸

如打印所用的智能复合材料类型太少、难以实施对结构复杂物体的设计预先编程、考虑形变要素的软件设计难度大、变形为所需要形状或功能的物体花费的时间较长、打印出的物体自我变形或制造后机械强度不够、促进物体变形的环境或刺激物(催化剂或能量)类型有限(目前主要是水和温度)、形状改变基本不可逆(难以变回最初的平板状)等一系列问题。

 然而,4D打印毕竟是在3D打印基础上对传统制作方式的又一次重要进化,有着巨大的潜在应用价值,已经得到了很多国家的重视并被作为一项置顶的技术大力进行研发。像美国有很多的机构都在研究4D 打印,2014年美国军方还出资数百万美元,推动用4D打印方式制造动态伪装器材和轻薄型防弹衣等;德国正在开发专门用于4D打印的打印机;澳大利亚、日本和欧洲一些国家在加紧研制4D打印的智能复合材料。鉴于此,我们有理由相信,4D打印的发展已渐开始,假以时日,各国的共同努力下,新材料将不断发明涌现,计算机辅助设计软件将日益强

大,3D打印将更加成熟,微电子学的应用将更加深入。到那时,4D打印的很多问题会迎刃解决,将取得更多的突破性进展,从这个意义上看,4D打印无论是民用还是军用,虽然可能道路曲折,但前途光明,非常值得我们期待。


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