4D打印及其军事应用前景(一)

阅读 2687 发布时间:2017-01-03 13:35

 3D打印也称为增材/积材制造,它先利用计算机辅助设计软件,构建出零部件或物体的数字模型文件,然后让计算机按该文件控制打印机,将可粘合的粉末状材料以“逐点累积成面,逐面累积成体”的方式打印出零部件或物体。这就如同盖房子一样,只要按图纸“自下而上、一层一层”地码砖,就能“堆积”出物体。相对于传统的铸造、切削等减材制造方式,3D打印具有节省材料、加工简单、工时量少以及有利于复杂产品的制作和个性化产品的设计等诸多优点。目前,伴随数字技术的飞速发展和新材料的不断涌现,3D打印基本能实现在比较短的时间内,让人们轻松地完成越来越多物体的制作——包括任意复杂形状的3D物体,所以在工业、建筑、医疗、航天、军事甚至服装、艺术、食品等领域的应用风生水起,被誉为“推动社会变革的最具潜力的技术之一。

 就在3D打印的发展和应用方兴未艾、蒸蒸日上之时,4D打印这种能让打印出的物体,变形为我们所需要的另一种物体的造物方式,也开

始迈上了蹒跚学步之路。人们按照在信息时代,很多技术的提出、发展和实现的过程,禁不住乐观地预测,或许用不了多久,在3D打印和材料等相关技术进一步成熟和应用的基础上,4D打印也会像3D打印一样,不但在工业、建筑、航天、医疗、服装等领域,而且在国防军事领域

也有着广泛的应用前景。

一、4D打印让打印物体实现自我制造

 3D打印相对于传统的制造方式,虽然能打印(制造)出任意复杂形状的三维物体,还有很多独门绝技,但打印出的物体结构、形状、体积、颜色、性能和用途等仍然是一成不变的。因此,3D打印的物体是静止的,它没有“智慧”,不能随时间动起来,无法进行自我组装或制造。

 4D打印是指以“可编程物质”为打印材料,用3D打印的方式打印出三维物体。该物体能随时间,在预定的(水、气、风、烟雾或真空等)

环境中或者在特定的(声音、气味、汗液、颜色、加热、加压、振动、通电或光照等)激励或刺激下,自我变换物体的物理属性或功能,包括它的尺寸、形态、结构、密度、颜色、亮度、弹性、硬度、导电性、光学特性或电磁特性等。其中,“可编程物质”主要是指能以编程方式变换物理属性的智能复合材料,如在电场激励下尺寸或形状都可发生变化的柔性复合材料,具有形状记忆效应的记忆复合材料,浸水发生形变的亲水性复合材料等;而4D比3D多了一个时间维度,打印出来的物体其形状、尺寸或功能等可以随时间自我调整或变化。

 显而易见,4D打印本质上就是利用智能复合材料所进行的3D 打印——先用3D打印机打印出由智能复合材料构成的简单形状的物体,之后在外界激励下该物体将按预先设定的路径完成形态的改变。所以相对于3D打印,4D打印从理论上看不但能打印出任意复杂形状的三维物体,打印出的物体还会随着时间的推移,自我进行大小调整或形状、功能的变化,而且这种变化是事先在材料中用编程方式设计好的,是可预见和可控制的。因此,4D打印的物体不再是静止的,它“就像被植入了智慧”是“活”的,能在一定条件下随时间动起来,实现自我组装或制造。

 比如,2013年2月美国麻省理工学院展示的一根4D打印细绳,当被放到水中时,它就慢慢“苏醒”过来了,并自动扭曲为英文组合“MIT”的形状。这不是麻省理工学院的英文缩写吗?它是怎么动起来并变成了这么个形状的呢?原来,秘密在于这条细绳是由两种材料打

印而成。第一种是遇水发生膨胀或弯曲的亲水性智能材料,它作为细绳的芯材,沾水时能产生张力或扭曲力;而第二种是硬质的有机材料,它作为细绳的表材,包裹住芯材后能形成阻止扭曲或变形发生的阻力——表材越厚的部位阻力越大。打印时,只要按所需的形状为这两种材料“编程”出打印顺序,并沿细绳的不同部位对表材“编程”出不同的打印厚度,就能使打印出的细绳在浸水后,通过亲水性材料带动硬质材料,让细绳的不同部位因表材厚度不同而产生不同的变形,最终以特定的角度弯曲成预先设计的形状——“MIT”字样。在2014年11月的另一次演示中,麻省理工学院还用4D打印制造出的一块平板,它在接触水后变为了一个大象型玩偶,基本上也是与细绳的4D打印原理及其变形的过程相似。


未完待续;



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