增材制造（3D打印）技術(shù)以數(shù)字模型設(shè)計為基礎(chǔ)，通過軟件與數(shù)控系統(tǒng)將材料按照擠壓、燒結(jié)、熔融、光固化、噴射等方式逐層堆積，實現(xiàn)復(fù)雜及可定制化結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。由于3D打印結(jié)構(gòu)是靜止的，缺乏功能性及自適應(yīng)能力，因此在智能結(jié)構(gòu)及器件應(yīng)用上存在諸多限制。自2013年4D打印概念被首次提出后，4D打印技術(shù)受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。4D打印技術(shù)是在3D打印技術(shù)基礎(chǔ)上引入了時間作為第四個維度，實現(xiàn)了3D打印結(jié)構(gòu)在外界刺激（如熱、電、磁、光，濕度等）下，其形狀、性能和功能隨著時間發(fā)生特定的轉(zhuǎn)變。4D打印技術(shù)的成型方法包括立體光刻成型技術(shù)（SLA）、數(shù)字光處理技術(shù)（DLP）、熔融沉積技術(shù)（FDM）、聚合物噴射技術(shù)（Polyjet）及直寫打印技術(shù)（DIW）等。與其他幾種打印技術(shù)方法相比，直寫打印技術(shù)具有可打印材料種類廣泛，打印裝置開放等優(yōu)勢。基于直寫打印技術(shù)的4D打印材料及結(jié)構(gòu)，展示出了在智能驅(qū)動、電子、生物、機(jī)器人等領(lǐng)域的應(yīng)用價值。
近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)冷勁松教授團(tuán)隊在材料領(lǐng)域權(quán)威期刊《Advanced Science》上發(fā)表了題為“Direct Ink Writing Based 4D Printing of Materials and Their Applications”的綜述文章。回顧了直寫4D打印技術(shù)的發(fā)展歷史，從材料的角度重點(diǎn)介紹了直寫4D打印技術(shù)的研究進(jìn)展。直寫4D打印主要有兩種技術(shù)路線：一是直接打印可變形材料，包括形狀記憶聚合物、水凝膠及液晶彈性體等材料。二是在直寫打印過程中預(yù)置應(yīng)力分布、材料分布，實現(xiàn)打印結(jié)構(gòu)在特定激勵下釋放應(yīng)力，完成主動變形行為。文章概述了基于不同類型材料、不同打印策略、不同驅(qū)動方法的直寫4D打印材料及可變形結(jié)構(gòu)，并詳細(xì)討論了直寫4D打印結(jié)構(gòu)的多功能性，及其在電子、生物醫(yī)學(xué)與軟體機(jī)器人等領(lǐng)域上的潛在應(yīng)用。
圖：直寫4D打印技術(shù)用于不同種類材料的打印，實現(xiàn)直寫4D打印結(jié)構(gòu)在不同外界刺激下的形狀與功能的轉(zhuǎn)變，應(yīng)用于電子、生物醫(yī)學(xué)與軟體機(jī)器人等領(lǐng)域
綜述對直寫4D打印技術(shù)進(jìn)行展望，未來將在可變形材料的研發(fā)，4D打印結(jié)構(gòu)多功能性的拓展，以及直寫打印裝置的改進(jìn)等方面進(jìn)行深入探索。此外，在多材料打印過程中通過在特定位置，設(shè)計不同的材料密度，預(yù)置不同的內(nèi)應(yīng)力，將簡化多功能材料直寫4D打印的制備過程，豐富4D打印結(jié)構(gòu)的變形模式。建立精確預(yù)測打印結(jié)構(gòu)變化的數(shù)學(xué)模型，將對直寫4D打印結(jié)構(gòu)實現(xiàn)更為復(fù)雜的形狀變化提供理論指導(dǎo)。隨著直寫4D打印技術(shù)的不斷進(jìn)步，智能材料的結(jié)構(gòu)/功能豐富，結(jié)合設(shè)計/模擬方法，將滿足包括軟體機(jī)器人、智能器件、生物醫(yī)用、電子等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用需求。該綜述近期發(fā)表在《Advanced Science》上，博士生萬雪是文章的第一作者，冷勁松教授是通訊作者。相關(guān)工作得到國家自然科學(xué)基金的大力支持。
全文鏈接：http://dx.doi.org/10.1002/advs.202001000
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