什么是4D打印?-- 4D打印技术详解(二)

阅读 1514 发布时间:2016-12-15 13:50

二、4D打印的主要问题

 根据发展现状,总体分析看,4D打印迄今所取得的成果都比较初级,还存在很多问题需要解决,特别是在以下四个方面。

 首先,4D打印缺少合适的可编程或智能复合材料。现在4D打印采用的材料还比较“生硬”,种类也太少,难以将设计、尤其是复杂一些的设计预先编程到打印过程中,因而最终折叠或扭曲成的物体形状和功能都比较简单,基本是字母型物体或是简单几何造型的物体,而且物体成形花费时间较长,机械强度不够,难以具备实用的一些功能。况且,4D打印的环境或刺激物(催化剂或能量)类型有限,材料大都只能在水和温度的激励下,由一种形状变成另一种形状,激励类型不能满足实际应用需要。

 其次,4D打印编程设计难以适应复杂的物体制造。目前的4D打印,其设计实现的大都是在结构上不连贯的条状物体,或者在结构上看似分离的片状物体,这样的物体通过被水刺激后,依靠那些间断处的折叠或扭曲,完成从一维到二维或者从两维到三维的自我组装。而且,编程设计主要是对结构较为简单的物体,只能让物体完成一次自我制造,基本不能在设计时一次嵌入几种造型,难以实现让物体由一种形状到另一种形状后,还能在需要时再变到第三种形状。

 第三,4D打印的物体其形状不能实现可逆的变化。目前的4D打印制作出的物体,基本是先从打印最初比较简单的造型,在外界激励下变为复杂的造型,如线状或片状(平面状)造型变到某些几何造型,而不能使物体再在外界激励下变回到打印最初的形状(如线状或片状),这就限制了4D 打印在特定情况的应用,比如在运输、保管等场合,有时还需要让打印物体回到激励前的那种简单形状。

 最后,4D打印缺少专用的、实用的打印机,特别是商用化的打印机。这几年,由于4D打印在初创时代,4D打印物体过程中使用的基本是3D打印机,这不能较好地体现出4D打印的理念,满足4D打印自我制造的需要,而且打印机在规模、精度、可靠性和经济性等方面的要求也都不

够,难以在较为大型的制造业和工程上推广应用,比如在汽车、飞机、舰船制造等领域以及建筑、伪装防护工程等方面,4D打印尚难完成相关零件或部件的制作。

三、4D 打印的未来发展

 4D打印诞生至今,不过短短的三年光景,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,为医学等特殊行业所用的打印机。


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