近日，ETH宣布通过市售的3D打印设备，他们开发了4D材料，这种无需机械动力的自运动材料，在航空航天、国防、医疗等多种应用领域有着特殊的应用前景。

当前，大多数有关自运动材料的3D打印研究基本上使用刺激响应形变塑料。 这些塑料可分为两个亚类：可编程形状记忆塑料（programmable Shape Memory Polymers – SMPs）和人造水凝胶。 这两种塑料形状变化的机理差异很大。

SMPs这种材料当被冷却到激活温度以下（也称为编程温度）的时候，SMPs材料将发生变形，而遇到加热时，SMPs材料的活性被激发并恢复至原始形状。

人造水凝胶通过溶胀过程而与其环境中的流体发生反应。 只要施加刺激，水凝胶就会发生形状的连续变化。 在干燥环境中，随着吸收的流体被蒸发，人造水凝胶就慢慢恢复永久形状。

SMPs的变形过程比较突变化，但形状是记忆可控的；人造水凝胶的变形过程比较连续，只要有外界的刺激存在，人造水凝胶的形状就在持续的改变中。

如何研发出一种材料兼具SMPs和人造水凝胶的特点，不仅形状变化连续且严格可控，而且形状具有记忆性，这成为4D打印的一大挑战。

ETH的研究人员先是表征3D打印塑料材料的热力学性质。 然后使用实验数据构建线性粘弹性本构模型。 结合这个本构模型的仿真通过三点弯曲试验来进行验证。 接下来，研究人员设计不同的模型来模拟、制作和测试活性材料的各种形状转换。

为了实现变形过程的精准控制，超材料的形状记忆周期是通过有限元模拟进行建模的。利用模拟的力位移数据，科学家们拟合了梁单元的人造刚度，使其具有相同的力学行为。 此外，简化光束建模方法允许以较低的计算成本来模拟大型复杂结构。

研究结果发表在“Large Shape Transforming 4D Auxetic Structures”论文中。这种通过市售的3D打印设备以及市售的3D打印材料所实现的4D打印，其面积可以自延展到到百分之二百的程度。引导这些复杂几何运动的关键在于热激活，通过时间的变化“通知”第四个维度 – 什么时候以及如何发生形状变化。

ETH的研究人员专注于设计的编程方面，并强调通过简化的程序来实现复杂的设计。在研究人员看来，4D打印在配置变更无法手动实现以及机电驱动不可行的情况下（例如在航空航天和医疗领域）具有很大的潜力。

在3D打印方面，为了展示轻松的可操作性，研究人员所获取的4D超材料实际上是由一种单一的材料制成的，科学家们使用的设备是Stratasys Objet500 Connex3 3D打印机。该团队指出，这种通过对市售材料和设备的创新使用，也扩大了在各种应用中引入4D材料的潜力。

参考资料：Large Shape Transforming 4D Auxetic Structures

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“4D打印”一词指的是许多不同的东西，但在这种情况下，指的是3D打印对象随着时间的推移而改变（第四维度）。浙江大学化学工程学院的谢涛教授解释说，这种4D打印现象背后的秘密在于几秒钟的光固化。DLP投影机的光经过精心编程，以提供一个薄的树脂层与异光固化结构的每一个像素，与树脂变成一个固体塑料形状，这很像DLP 3D打印，虽然光不仅集中在固化树脂，使之成为一个特定的形状，令人难以置信的4D打印过程。

在这个过程中，研究员黄丽梅先放几滴光固化树脂在两片玻璃之间，然后用投影仪照在它。这种光“雕刻”是通过一系列复杂的机械计算，通过灰度变化来实现的。然后材料在几秒钟内从液体变成固体，这就像看一个很短的微型胶卷。但更多的是在这一点上比眼前的情况：在两个玻璃片之间的树脂的每个像素在分子水平上被改变，为后来的转变奠定了基础。

经过精确的“日光浴”下的投影机的光，然后采取树脂填充玻璃面板，揭示了树脂已成为一个平面膜。然后将这种膜放在凝胶状的熔化石蜡中，在那里神奇开始发生。由于每个像素的分子结构不同，每个像素“吸收”的石蜡量不同。这种在扁平膜上的分化使得整个物质在石蜡被吸收时开始慢慢扭曲。在不到三分钟，二维膜已经变成了一个3D的海芋花副本。

不同的光固化材料可以以不同的方式组合，因为某些材料可以用来形成不同的形状。这位教授还认为，4D打印过程可以取代某些领域现有的3D打印技术。“它最大的优势在于它的速度，制备多维材料的整个过程大约是3D打印相同材料所需的时间的十分之一。”

根据中国工程师们的说法，研究人员可以通过选择合适的材料和工艺，将3D打印的对象轻松地转换成四维形状的物体。据中国3D打印网了解，该小组的研究将提醒人们，逐层打印并不是获得多维结构的唯一途径。

而马蹄莲4D打印是视觉上令人印象深刻的过程，能有更多的实际应用，研究人员认为，4D打印过程可用于治疗眼部问题，如近视、远视，用一种类似于花制作一个用于改变眼睛的设备，它将返回一个正常的状态。在不久的将来这种4D打印的将应用于临床。

DLP 4D打印也可以用来创造珠宝。例如，4D打印彩色海芋模型可作为模具，液态金属倒入模具制造铸造件。一旦液体金属冷却，珠宝商将留下一个金属的马蹄莲。超多维快速制造方法可以用来提高珠宝脱蜡过程，珠宝生产效率大大提高。

来源：3ddayin.net

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4D打印是指在第四维度形状或功能发生改变，4D打印允许对象被3D打印后其形状和材料特性暴露在一个预先确定的刺激如浸没在水中，或暴露于热、压力、电流、紫外线或一些其他的能源刺激下，其功能或形状发生特定的改变。之前美国麻省理工研究可控的表面纹理变化4D打印技术，德国Freiberg的研发团队研发出面向未来的可自行愈合裂隙或回复原状的4D打印技术。

Ilika自愈合合金打印

现在，英国的Ilika研究出可自愈合的4D打印技术并获得215万英镑的政府资金支持，Ilika的CEO来自于英国剑桥大学。

Ilika PLC的合作伙伴包括信实精密工程，谢菲尔德大学，GKN公司和BAE系统公司。

事实上，Ilika有两个目标。首先是开发新一代的自修复合金，适用于增材制造的制造工艺。二是开发一种金属制造工艺，结合增材制造的灵活优势和机加工金属切削的精度优势。面向航空航天领域，Ilika希望打造优越的生产机制以及探索出带结构完整性和功能性能的轻量化零件的工艺。

未来看起来很美好，Ilika专有的高通量技术使其以独特的成本来应对通过增材制造的方法将航空部件轻量化的挑战。

编译自：3ders.org

科学谷REVIEW

MarketsandMarkets发布关于4D打印的市场研究报告中预测4D打印将在2019年商业化，全球规模有望达到6300万美元，到了2025年，4D打印市场将达到5.556亿美元，而这其中可编程碳纤维占据了大部分市场份额。行业上，国防军工相关应用的市场份额将达到55%。

4D打印金属的市场金额看似不大，但难度大、技术地位高。介于此，行业领先品牌都在积极行动，包括3D Systems（美国），Autodesk－欧特克（美国），惠普（美国），Stratasys（美国），ExOne（美国），Organovo（美国），Materialise（比利时），和达索系统（法国）等

4D打印自愈合合金在航空航天领域，可以用来调整机翼结构以适应不同的飞行情况。另外，液压传动系统大量复杂的管道系统也非常适合这种材料的应用。

麻省理工学院（MIT）机械工程系的最新果实是通过4D打印使得他们能够在引入某个变量时让打印结构的表面纹理进行相应的改变。这一成果已经发表在《Advanced Functional Materials》上，名为《通过在复合材料增强颗粒结构实现可控的表面纹理（Locally and Dynamically Controllable Surface Topography Through the Use of Particle-Enhanced Soft Composites）》。

研究人员使用了模拟软件，通过建模模拟出颗粒结构增强的复合材料物体。经过仿真可以展示出对象究竟会对表面压力如何反应。而一旦仿真结果满足他们的要求，他们就用多材料3D打印机将其打印出来。产品具有间歇性和随机性的丰富多样的表面特征变化，包括可变波、折皱状的特征、平顶、谷底等，可以通过改变颗粒的无因次几何参数（例如，相对的颗粒大小、形状、间距和分布等）来获得。这些表面特征可以通过颗粒定位来实现变量可控。

这一研究创建出的具有可重构表面纹理的材料，是非常有价值的。这项研究对于实际应用的潜在影响是巨大的，它可以用于许多受益于表面变化的应用，比如在光学和摩擦学中的许多应用。一旦这项技术被开发出来，我们将看到许多应用会因此涌现。这种技术可能的应用包括：伪装的制造；可以推进、吸引或引导液体流动的材料；反光材料和每隔一段时间移位的材料，比如说可以应用到限制海洋生物在轮船的底部堆积。

尽管MIT的这项研究是围绕压力变量进行的，但是其他变量如温度、湿度水平、和电荷等都可以用来刺激材料的转化。

来源：3dprint.com