張亞蓮 常若寒 姚草根 張緒虎 丁俊峰 李啟軍

（航天材料及工藝研究所，北京 100076）

文 摘 增材制造技術(shù)是一種逐點(diǎn)、逐線、逐面增加材料而形成三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的近凈成形工藝，3D打印技術(shù)日漸成熟，其所制備出的產(chǎn)品組織結(jié)構(gòu)致密、性能穩(wěn)定。近年來，學(xué)者們將增材制造技術(shù)應(yīng)用于智能材料的打印，實(shí)現(xiàn)該技術(shù)由空間維度到時間維度的擴(kuò)展。本文重點(diǎn)介紹了3D打印與4D打印的研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景，以期為從事該領(lǐng)域的工作人員提供借鑒。

0 引言

增材制造技術(shù)是一種基于分層制造原理，根據(jù)產(chǎn)品的三維模型，通過材料的聚合、熔化或粘結(jié)，將復(fù)雜的三維加工過程轉(zhuǎn)化為平面加工過程，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的點(diǎn)-線-面-體的逐層生長型制造，使得材料由離散狀態(tài)經(jīng)過堆疊積累獲得三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的近凈成形工藝，可徹底脫離模具和鍛造等大型設(shè)備，實(shí)現(xiàn)大型承力構(gòu)件的一體成形，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)零件特別是復(fù)雜結(jié)構(gòu)、難加工零件的生產(chǎn)轉(zhuǎn)型，減少設(shè)備零件數(shù)量，降低生產(chǎn)成本，縮短生產(chǎn)周期［1-4］，它幾乎可以應(yīng)用于任何類型材料的制造，而且由于其工藝的獨(dú)特性，可以創(chuàng)造適合于該工藝的新材料從而推動材料技術(shù)的發(fā)展［5］。

20世紀(jì)90年代，3D 打印技術(shù)首先在美國發(fā)展并逐步推廣應(yīng)用，以約翰霍普金斯大學(xué)為首的研究團(tuán)隊(duì)把鈦合金作為研究對象，開發(fā)出了一種激光熔覆沉積成形技術(shù)，在此基礎(chǔ)上成立AeroMet 公司，并將該技術(shù)成功應(yīng)用于飛機(jī)零部件的制備，如內(nèi)龍骨腹板、翼根吊環(huán)等［6］。隨著工藝技術(shù)不斷成熟，學(xué)者們開展了不銹鋼、鋁合金、銅合金、高溫合金等多種材料的3D 打印技術(shù)，根據(jù)原材料種類與成型工藝的不同，可分為適用于熱塑性絲狀材料的熔融沉積技術(shù)、適用于粉末材料的選擇性激光燒結(jié)技術(shù)、適用于液態(tài)光敏樹脂的光固化成型技術(shù)和適用于纖維復(fù)合材料的分層實(shí)體制造技術(shù)等［7］。3D 打印技術(shù)在航空航天、武器裝備、汽車制造、醫(yī)療器械等領(lǐng)域得到了廣泛的推廣與應(yīng)用［8］。

4D打印則繼承了3D打印分層制造與無模化一體成形的屬性特點(diǎn)，將一種對溫度、水、電化學(xué)、pH等刺激產(chǎn)生響應(yīng)的材料引入增材制造技術(shù)，通過數(shù)學(xué)編碼運(yùn)算實(shí)現(xiàn)材料在時間維度上的變換［9］。2013年，在美國的TED會議上麻省理工學(xué)院Tibbits首次提出4D打印概念，并展示了一根繩子在水中轉(zhuǎn)變?yōu)椤癕IT”立體字樣的過程，4D打印技術(shù)自此在學(xué)術(shù)界掀起了廣泛的研究熱潮［10］。從此，增材制造技術(shù)便由原來的點(diǎn)線面體空間維度（3D）擴(kuò)展到了時空維度（4D）。

歐美等發(fā)達(dá)國家率先開啟增材制造技術(shù)的研究并推進(jìn)工程應(yīng)用，在產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面也走在世界前列。2009年，美國材料與試驗(yàn)協(xié)會創(chuàng)建了首家增材制造技術(shù)委員會ASTM F42［11］，專門負(fù)責(zé)增材制造技術(shù)行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定。2011年，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織成立了增材制造技術(shù)委員會ISO TC261［12］。2012年8月，美國賓夕法尼亞州、佛吉尼亞州和俄亥俄州共同聯(lián)合14 所大學(xué)、11 家非營利機(jī)構(gòu)和專業(yè)協(xié)會、40 余家企業(yè)聯(lián)合創(chuàng)辦了增材制造創(chuàng)新研究所。2013年10月，歐洲航天局公布了“驚奇”計(jì)劃，目的在于將3D打印技術(shù)應(yīng)用于金屬材料，該計(jì)劃匯集28 家機(jī)構(gòu)用金屬材料開發(fā)出比常規(guī)部件更輕質(zhì)、廉價、高強(qiáng)的零部件［13］。此外，GE 和西門子等傳統(tǒng)制造業(yè)巨頭的進(jìn)入（GE 收購德國Concept Laser 和瑞典Arcam，西門子收購英國Materials Solutions）使得增材制造技術(shù)應(yīng)用前景更為明朗。本文將主要從理論層面、研究進(jìn)展與工程應(yīng)用等方面對增材制造技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 增材制造技術(shù)的理論基礎(chǔ)

增材制造技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)是3D 打印，通過CAD或3D 掃描實(shí)體構(gòu)建產(chǎn)品的三維數(shù)字模型，優(yōu)化移動路徑和打印參數(shù)，將三維數(shù)模進(jìn)行切片獲得的數(shù)據(jù)文件通過3D 打印設(shè)備輸出，實(shí)現(xiàn)原材料的逐層積累制得所需制件，具體流程如圖1（a）所示。

圖1 3D打印與4D打印示意圖Fig.1 The schematic diagram of 3D printing and 4D printing

3D 打印所用材料性能是穩(wěn)定的，其所獲得的結(jié)構(gòu)模型是靜態(tài)的，形狀性能不會隨時間發(fā)生變化。而4D 打印是將智能材料進(jìn)行數(shù)學(xué)編碼通過3D 打印獲得能夠在外界刺激下實(shí)現(xiàn)形態(tài)、性能與功能演變的動態(tài)結(jié)構(gòu)，如圖1（b）所示。學(xué)術(shù)界最初開始4D 打印技術(shù)研究時，單純理解為是在3D 打印的基礎(chǔ)上增加一個時間維度，即智能材料通過3D 打印技術(shù)獲得的成品在外界刺激下產(chǎn)生自身形狀或結(jié)構(gòu)的變化。2014年，TIBBITS［14］在提出4D 打印概念的基礎(chǔ)上，通過在剛性材料中添加彈性材料設(shè)計(jì)了4D 打印模型，表明4D 打印技術(shù)是智能材料在外界環(huán)境刺激作用下隨時間自發(fā)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變化（圖2）。隨著研究的不斷深入，人們將傳感或驅(qū)動嵌入材料中實(shí)現(xiàn)主動材料與被動材料的特殊編碼排列，依賴于3D 打印所獲得的空間結(jié)構(gòu)，通過外界刺激（如光、熱、電、磁、水、pH 等）在時間維度上獲得所期望的形狀、性能和功能上的演變，該演變可能是單向的也可能是可逆的［15］。

圖2 Tibbits構(gòu)建的4D打印模型Fig.2 4D printing model proposed by Tibbits

與3D 打印相比，4D 打印具備許多優(yōu)勢。首先，通過智能材料的數(shù)學(xué)編程，可以實(shí)現(xiàn)3D 打印結(jié)構(gòu)的形態(tài)功能自我轉(zhuǎn)變與制造，賦予結(jié)構(gòu)初期狀態(tài)的更多設(shè)計(jì)自由度。其次，簡化3D 打印的形狀結(jié)構(gòu)，降低生產(chǎn)難度，通過后期的外部激勵與刺激，獲得預(yù)期的功能結(jié)構(gòu)，極大地降低了設(shè)備成本、勞動成本與時間成本。第三，促進(jìn)物質(zhì)程序化發(fā)展與互聯(lián)網(wǎng)制造進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)智能材料的數(shù)字化，克服生產(chǎn)制造的空間限制，最終實(shí)現(xiàn)多樣化材料的全球化甚至外太空的數(shù)字制造。

2 增材制造技術(shù)的研究應(yīng)用進(jìn)展

2.1 3D打印技術(shù)的研究應(yīng)用進(jìn)展

3D打印技術(shù)發(fā)展已相對成熟，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，其可成形的材料能夠涵蓋金屬材料、高分子聚合物、陶瓷材料、復(fù)合材料、生物材料等，現(xiàn)已達(dá)到工程應(yīng)用階段，且在汽車行業(yè)、航天軍工、醫(yī)療器械、新能源、考古等諸多行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，其在各行業(yè)的應(yīng)用占比如圖3所示［16］。在汽車制造領(lǐng)域，國際知名汽車制造商如寶馬、奔馳、保時捷、大眾、通用等在前期研發(fā)階段針對汽車的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件、車身造型、輕量化結(jié)構(gòu)、多材料零件等已經(jīng)利用3D打印技術(shù)開展輔助制造研究并逐步推廣應(yīng)用，如圖4所示。2011年，三輪汽車“Urbee2”問世，該汽車有50%以上的部分是通過3D打印而成，且僅僅耗時2 500 h［17］。空客子公司通過3D打印獲得了第一輛摩托車，總重只有35 kg［18］。2017年，美國DM公司采用3D打印技術(shù)加工碳纖維支架和鋁合金接頭，并將其應(yīng)用于超級跑車“Blade”，使得整車質(zhì)量大幅降低，并減少了油耗［19］。2021年，3D打印服務(wù)商ExOne與福特公司合作，致力于粘接劑噴射金屬3D打印技術(shù)應(yīng)用于汽車部件的批量化生產(chǎn)。同年，瑞士黑石子公司宣布批量生產(chǎn)3D 打印鋰離子電池，目標(biāo)進(jìn)軍電動汽車領(lǐng)域。

圖3 3D打印在各領(lǐng)域的應(yīng)用占比Fig.3 The ratio of 3D printing in all kinds of application fields

圖4 世界首輛3D打印摩托車與“Blade”跑車Fig.4 The first motorbike and sports car Blade made by 3D printing in the world

在航天軍工領(lǐng)域，武器型號對減重增程、機(jī)動性能和使用壽命的要求不斷提高，結(jié)構(gòu)件勢必也要不斷輕質(zhì)化、整體化以及高性能化，主要體現(xiàn)為以下三點(diǎn)：首先，材料性能不斷提高，高強(qiáng)鋁合金、鈦合金、高溫合金、輕質(zhì)高強(qiáng)復(fù)合材料等得到越來越多軍用產(chǎn)品的青睞；其次，產(chǎn)品制件的結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，尤其是外形結(jié)構(gòu)件的流線要求以及發(fā)動機(jī)部件的氣動要求等使得零件形狀逐漸復(fù)雜化；第三，加工精度要求越來越高。以上變化使得傳統(tǒng)制造工藝難以滿足生產(chǎn)要求，限制了型號的更新?lián)Q代速度。3D 打印技術(shù)的無?；a(chǎn)與快速全致密近凈成形特點(diǎn)為航天領(lǐng)域軍工制造專家提供新的發(fā)展方向，近10年間，3D打印技術(shù)在航天領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了多規(guī)格多角度的廣泛應(yīng)用，主要可以分為兩大類：一是在火箭發(fā)動機(jī)精細(xì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用，如殼體、泵、轉(zhuǎn)子等；二是在衛(wèi)星飛船等空間復(fù)雜結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用，如支架、異形桁架等。

3D 打印技術(shù)最先由美國國家航空航天局（NASA）引入產(chǎn)品生產(chǎn)，NASA 認(rèn)識到其在液氫火箭發(fā)動機(jī)的加工制造方面具有巨大潛力，一直致力于將該技術(shù)引入到航天火箭發(fā)動機(jī)零部件的生產(chǎn)制造領(lǐng)域。經(jīng)過3年探索，團(tuán)隊(duì)利用3D 打印技術(shù)制造了100 多個零件，并設(shè)計(jì)了一個可以通過3D 打印來完成的發(fā)動機(jī)原型（圖5），實(shí)現(xiàn)零件數(shù)量減少80%，且只需30 處焊接。而3年探索的所有成本總共花費(fèi)只有1 000 萬美元，所有參與人員的數(shù)量與過去相比減少高達(dá)75%～80%，極大實(shí)現(xiàn)了經(jīng)費(fèi)與人力的節(jié)約［13］。NASA還采用激光熔化打印技術(shù)，將GRCo-84銅合金打印8 255 層獲得燃燒室的襯里，在銅質(zhì)發(fā)動機(jī)燃燒室的3D 打印方面取得突破，首次實(shí)現(xiàn)全尺寸的銅合金火箭發(fā)動機(jī)零部件的加工制造［20］。

圖5 NASA通過3D打印設(shè)計(jì)的發(fā)動機(jī)原型與銅質(zhì)發(fā)動機(jī)燃燒室Fig.5 Rocket engine and the copper engine combuster of NASA produced by 3D printing technology

2014年，AerojetRocketdyne 公司用3D 打印技術(shù)制造了一臺完整的小型發(fā)動機(jī)（mini-Banton）并成功通過后期點(diǎn)火測試（圖6）。這是一臺液氧/煤油發(fā)動機(jī)，能夠產(chǎn)生高達(dá)5 000 磅的推力，通過3D 打印，發(fā)動機(jī)的零部件數(shù)量縮減至三個，其中包括喉部和噴嘴部分、噴油器和圓頂組件、燃燒室［21］，零件數(shù)量的降低對應(yīng)裝配精度也提高很多。該公司還開發(fā)了液氧/煤油發(fā)動機(jī)AR1（圖7），其推力級可達(dá)50萬磅，該發(fā)動機(jī)的主噴油嘴完全是由3D 打印技術(shù)制造的，從而大大減少了零部件的交貨時間，并降低了70%的成本［20］。AerojetRocketdyne 還利用激光熔化技術(shù)制造了全尺寸銅合金推力室部件并通過測試，這是目前最大的3D 打印銅合金推力室部件。與傳統(tǒng)的制造工藝相比，激光熔化技術(shù)能夠?yàn)橥屏κ业脑O(shè)計(jì)帶來更多的自由度，使設(shè)計(jì)師可以在原材料與發(fā)動機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)上具有更多的選擇性，從而獲得更高熱傳導(dǎo)能力的先進(jìn)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而使得火箭發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)更加緊湊和輕量化［21］。

圖6 增材制造的mini-Banton發(fā)動機(jī)進(jìn)行點(diǎn)火測試Fig.6 The test of mini-Banton

圖7 AR1增壓發(fā)動機(jī)及其噴射器Fig.7 The AR1 turbocharged engine and ejector

除NASA 和AerojetRocketdyne 外，國外還有許多公司致力于3D 打印技術(shù)在火箭發(fā)動機(jī)零部件的推廣應(yīng)用。

易歐司（EOS）公司的工業(yè)級3D 打印技術(shù)在全球范圍內(nèi)處于佼佼者的行列，其開發(fā)的金屬增材制造機(jī)也獲得制造行業(yè)的廣泛認(rèn)可，SpaceX 利用其設(shè)備將鎳鉻高溫合金成功制造出了SuperDraco 火箭發(fā)動機(jī)的推力室。相對于傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)制造技術(shù)，3D 打印技術(shù)不僅顯著縮短了發(fā)動機(jī)的生產(chǎn)周期，并且大大降低了人力、經(jīng)濟(jì)成本的投入，最為關(guān)鍵的是成品材料的致密度、機(jī)械強(qiáng)度、塑性和斷裂韌性等性能都滿足工況使用要求。SuperDraco 引擎于2013年底進(jìn)行了點(diǎn)火測試，如圖8所示，該發(fā)動機(jī)的冷卻通道、噴油頭和節(jié)流系統(tǒng)都很難制造，EOS 系統(tǒng)能夠有效打印高強(qiáng)度的優(yōu)質(zhì)合金是成功創(chuàng)造SuperDrago 發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵［22］。此外，SpaceX 公司在獵鷹9 號火箭上也采用了大量的3D 打印零件，包括關(guān)鍵的氧化劑閥體（圖9）。這些零件都通過了嚴(yán)格的材料級測試、部件級資格測試和發(fā)動機(jī)點(diǎn)火測試，并被納入了獵鷹9號火箭的標(biāo)準(zhǔn)零件［23-24］。

圖8 SuperDraco引擎點(diǎn)火測試Fig.8 The test of SuperDraco engine

圖9 采用3D打印技術(shù)制造的主要氧化劑閥門Fig.9 The oxidizer valves manufactured by additive manufacturing technology

2017年，英國GKN 航空航天公司成功研制出Ariane 6 號火箭的噴嘴（SWAN），該噴嘴直徑達(dá)2.5 m，其關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)零部件生產(chǎn)采用了激光焊接和激光能量沉積工藝（圖10）。工藝的改進(jìn)使得零部件的數(shù)量由原來的1 000 多個減少到100 個左右，成本降低了40%，交貨周期縮短30%。該噴嘴是歐洲航天局Ariane火箭研究計(jì)劃的重要組成部分，現(xiàn)已成功通過全面安裝的發(fā)動機(jī)噴嘴的試用測試［25］。

圖10 SWAN火箭噴嘴Fig.10 SWAN rocket injector

中國航天科技集團(tuán)有限公司也一直致力于3D打印技術(shù)的應(yīng)用技術(shù)研究。針對運(yùn)載火箭的主承力構(gòu)件捆綁支座，由于實(shí)際工況要求其具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，現(xiàn)有型號主要采用塑性較好且易于切削的高強(qiáng)鋼進(jìn)行鍛造結(jié)合機(jī)加的方式成形，不僅對鍛造設(shè)備的能力要求較高，還造成了極大的材料浪費(fèi)和時間成本投入。新運(yùn)載型號對結(jié)構(gòu)件減重增程的要求不斷提高，該公司采用比強(qiáng)度更高的鈦合金材料，通過激光同步送粉制造成型工藝，實(shí)現(xiàn)了長征五號火箭捆綁支座試驗(yàn)件的快速研制。經(jīng)過系統(tǒng)工藝研究與測試，該產(chǎn)品的化學(xué)成分、組織性能、表面質(zhì)量及內(nèi)部質(zhì)量等都滿足了標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求，其綜合性能指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到了鍛件的水平，且相比傳統(tǒng)工藝實(shí)現(xiàn)減重30%。激光同步送粉制造技術(shù)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)難加工金屬材料的快速成型，同時還為箭體主承力部段結(jié)構(gòu)件的輕量化設(shè)計(jì)與制造提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

在衛(wèi)星應(yīng)用方面，2014年，AerojetRocketdyne 通過3D 打印制備了MPS-120 立方體衛(wèi)星上的肼集成推進(jìn)系統(tǒng)，且成功通過點(diǎn)火試驗(yàn)（圖11）。該公司將與美國宇航局（NASA）再次合作，嘗試?yán)迷霾闹圃?D 打印技術(shù)開發(fā)MPS-130 上使用綠色推進(jìn)劑的模塊化推進(jìn)系統(tǒng)［26］。從此開啟了3D 打印技術(shù)在衛(wèi)星上應(yīng)用的快速發(fā)展進(jìn)程。2016年，美國宇航局（NASA）的Juno 號探測器發(fā)射成功，該探測器上有一打左右的鈦合金波導(dǎo)支架是由Lockheed Martin 公司采用電子束熔融增材制造技術(shù)制造的，成為木星上空首顆來自地球的衛(wèi)星，也是歷史上第一個使用3D打印部件的航天器［27］。同年，歐洲最大的衛(wèi)星制造商Thales Alenia Space 與Poly-Shape（增材制造服務(wù)公司）合作，通過3D 打印為韓國的通信衛(wèi)星Koreasat 5A 和Koreasat-7 制造出了天線支架，并成功地通過了泰雷茲公司進(jìn)行的動態(tài)測試。這兩顆衛(wèi)星的天線支架的尺寸為450 mm×205 mm×390 mm，是迄今為止基于粉末床激光熔融金屬增材制造技術(shù)打造的在歐洲使用的尺寸最大的衛(wèi)星部件，但支架質(zhì)量僅為1.13 kg，被稱為“巨大的輕量級部件”［18］。

圖11 增材制造的MPS-120立方星推進(jìn)系統(tǒng)Fig.11 MPS-120 cubic star propulsion system produced by additive manufacturing technology

3D 打印技術(shù)雖然已經(jīng)在各個行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，但因其工藝特性導(dǎo)致其在實(shí)際推廣過程中仍然有其局限性存在，尚有以下問題與挑戰(zhàn)待解決：首先，3D 打印技術(shù)現(xiàn)階段主要應(yīng)用于均質(zhì)部件的單一材料打印，對于多種材料打印，材料界面處存在性能突變，且材料界面應(yīng)力的存在也影響制件的結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定；其次，針對金屬材料的3D 打印，由于層間間隔時間存在導(dǎo)致材料冷卻速率不同，冷凝過程中產(chǎn)生的孔洞缺陷削弱了制件的疲勞性能，限制了其在航空器等對疲勞性能要求較高的承力件上的應(yīng)用；第三，3D打印過程中材料散熱不均，使得其不同方向上的微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能存在差異，故打印方向不同，導(dǎo)致體現(xiàn)出的性能亦有差異；第四，由于設(shè)備能力及空間體積的限制，針對超大型部件的3D 打印難以施展。

2.2 3D到4D打印技術(shù)的研究應(yīng)用進(jìn)展

要實(shí)現(xiàn)4D 打印技術(shù)有四個關(guān)鍵要素，分別為智能材料、3D 打印、數(shù)學(xué)建模與外界刺激［28］。其中常見的智能材料包含形狀記憶合金、形狀記憶聚合物、光驅(qū)動型聚合物、水驅(qū)動型智能材料、磁驅(qū)動型智能材料、電驅(qū)動智能材料等，如Ni-Ti 合金通過有機(jī)膠和溶劑粘合作用打印出的金屬結(jié)構(gòu)即有一定的形狀記憶效應(yīng)，其在低溫下發(fā)生的形變可以通過加熱升溫恢復(fù)其原有形狀；形狀記憶聚合物是在4D 打印技術(shù)研究中應(yīng)用最多的材料，例如通過熔融成型方式獲得可抓取螺絲釘?shù)臋C(jī)械手、能夠舒展的花瓣模型、可以折疊的紙盒以及飛鳥模型等［29］。4D 打印通過對智能材料的數(shù)學(xué)建模可以實(shí)現(xiàn)多種材料的打印，借助多種材料的相互作用使得制品展現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能的轉(zhuǎn)化，將多種材料的3D 打印短板轉(zhuǎn)化為優(yōu)勢，擴(kuò)展了設(shè)計(jì)思路；且4D 打印制品自我修復(fù)與自我組裝特點(diǎn)能夠?qū)⒋笮椭破烦跏即蛴⌒⌒突朔?D 打印設(shè)備能力與空間體積的限制。

然而4D打印距離實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的工程實(shí)踐應(yīng)用尚有很大差距，其關(guān)鍵在于對4D材料的時間相關(guān)性行為進(jìn)行有效建模，從而達(dá)到預(yù)期可控的效果，現(xiàn)階段針對該方面的研究相對較少，大多相關(guān)研究主要采用Timoshenko雙金屬模型分析，其解析如式（1）所示：

式中，ρ為曲率半徑，ε1、ε2分別為兩層材料的熱膨脹系數(shù)，n為兩層材料楊氏模量的比值，h為所構(gòu)建模型厚度［30-32］。但該模型只能用來分析4D結(jié)構(gòu)與時間無關(guān)的行為，并不能準(zhǔn)確分析其時間相關(guān)性行為。

FARHANG等［33］根據(jù)4D打印的變形規(guī)律總結(jié)出三個定律，即：（1）4D打印下的多材料變形行為是由于主動材料與被動材料的“相對膨脹”引起的；（2）4D打印的多材料變形行為可以分為四種物理模型：質(zhì)量擴(kuò)散、熱膨脹、分子轉(zhuǎn)化和有機(jī)生長；（3）4D打印的多材料結(jié)構(gòu)隨時間變化的行為可以結(jié)合圖12表示為式（2）：

式中，k(t)是由刺激引起的曲率，r是曲率半徑，h、a1、a2是圖12中標(biāo)識的厚度，E1和E2是楊氏模量，I1和I2是截面慣性矩，HⅠ和τⅠ是常數(shù)。該模型表明4D 多材料結(jié)構(gòu)隨時間的變形行為是非線性的，在刺激打開和關(guān)閉后，智能材料表現(xiàn)出的形變是可逆的，呈現(xiàn)出雙指數(shù)行為，具體如圖13所示。經(jīng)過作者驗(yàn)證基本可適用于各種情況下多材料4D 打印模型的時間相關(guān)性行為的所有區(qū)域。

圖12 多材料4D打印結(jié)構(gòu)的第三定律Fig.12 The third law of multi-material 4D printing

圖13 多材料4D打印結(jié)構(gòu)的時間相關(guān)性行為Fig.13 The time dependent behavior of multi-material 4D printed strcture

現(xiàn)在針對4D 打印的應(yīng)用研究主要處于實(shí)驗(yàn)室階段，尚未實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。由于4D 打印能夠?qū)崿F(xiàn)材料的多功能、自組裝與自我修復(fù)，故在生物醫(yī)學(xué)、機(jī)器人、柔性電子、汽車工程、武器裝備、航空航天等領(lǐng)域都得到了廣泛的關(guān)注并加以探究。WU 等［34］以橡膠材料為基體，將兩種聚合物纖維通過不同的鋪置方式獲得平板結(jié)構(gòu)，結(jié)果其在不同的溫度條件下所呈現(xiàn)的彎曲方向與彎曲程度均有不同，從而實(shí)現(xiàn)了對智能材料的編碼控制（圖14）。他們還通過編程設(shè)計(jì)了一種“智能吊鉤”，常溫下為片狀結(jié)構(gòu)的材料置于30 ℃的溫水中會自動彎曲并可以吊出空籃，而將其置于70 ℃溫水中，材料又會恢復(fù)片狀結(jié)構(gòu)將空籃釋放（圖15）。

圖14 兩種材料不同鋪排方式下復(fù)合結(jié)構(gòu)的變形行為Fig.14 Deformation behavior of composite structure of two kinds of materials

圖15 智能吊鉤Fig.15 Smart hook

ZHAI 等［35］利用4D 打印技術(shù)將液晶彈性體精確加工，獲得了具有感知能力和地形適應(yīng)性的智能軟體機(jī)器人。該機(jī)器人是一個長10 cm 的管狀物，通過對熱的感知可自主改變自身形狀從而調(diào)整運(yùn)動速度和方向，該機(jī)器人可以像昆蟲觸角一樣感知前方障礙物的高低來實(shí)現(xiàn)翻越或折返，其在水平面上最大運(yùn)動速度可達(dá)48 cm/min，最大可翻越20°的坡度。

ZAREK 等［36］為支氣管患者設(shè)計(jì)了一種具有形狀記憶功能的氣管支架，該支架在植入人體前進(jìn)行體積壓縮，裝入人體后在很短的時間內(nèi)自行打開并適應(yīng)人體結(jié)構(gòu)，從而極大地減小手術(shù)切口，降低對人體產(chǎn)生的創(chuàng)傷（圖16）。MORRISON 等［37］還針對嬰幼兒研究了一種可隨患者年齡增長而不斷擴(kuò)展以適應(yīng)氣道變化的支架，該支架可工作至患兒的氣道成熟并獨(dú)立工作為止。TOLLEY 等［38-39］將形狀記憶聚合物與硬質(zhì)平面材料相互結(jié)合，通過4D 打印技術(shù)設(shè)計(jì)了蠕蟲機(jī)器人，在一定的電流刺激下，該機(jī)器人能夠自行折疊成能夠自移動的模式，這種機(jī)器人減少了材料、加工與運(yùn)輸成本，具有良好的應(yīng)用前景（圖17）。在汽車工程領(lǐng)域，可以利用形狀記憶合金制造彈簧節(jié)溫器，控制循環(huán)水冷卻系統(tǒng)在特定的溫度區(qū)間內(nèi)開合，從而保證汽車的發(fā)動機(jī)使用效率達(dá)到最高。在軍事領(lǐng)域，可以利用形狀記憶聚合物進(jìn)行4D打印獲得輕質(zhì)便攜的武器裝備，以便攜帶與運(yùn)輸，等作戰(zhàn)需要時再觸發(fā)刺激，使其變形為所需要的功能狀態(tài)。4D打印技術(shù)在航空航天領(lǐng)域也有極大的應(yīng)用前景，利用4D 打印的自組裝與自我修復(fù)功能，可以將衛(wèi)星天線與太陽能板在地面打印成小體積的折疊結(jié)構(gòu)，待其發(fā)射到太空后再自動變形成工作狀態(tài)，如此可極大地減小衛(wèi)星體積，降低火箭的發(fā)射難度；以上功能同樣適用于空間站、宇宙飛船、探測器等飛行器的部分零件結(jié)構(gòu)。

圖16 智能軟體機(jī)器人受熱后的翻越和折返行為Fig.16 The climing over and turning back behaviors of smart soft robot after being heated

圖17 4D打印氣管支架與蠕蟲機(jī)器人前進(jìn)示意圖Fig.17 Tracheal stent by 4D printed and schematic diagram of worm robot moving forward

雖然4D 打印技術(shù)已經(jīng)取得了一定進(jìn)展，其發(fā)展前景也值得期待，但對其開發(fā)尚處于早期階段，仍然有諸多挑戰(zhàn)需要解決。首先，4D 打印技術(shù)所針對的研究對象為刺激響應(yīng)材料，現(xiàn)階段可用于打印的刺激響應(yīng)材料種類相對較少，且響應(yīng)方式相對單一，需要開發(fā)新的能夠?qū)崿F(xiàn)多種刺激響應(yīng)的材料。其次，對智能材料的有效建模難以適用于復(fù)雜產(chǎn)品制造，現(xiàn)在主要是針對條狀或片狀結(jié)構(gòu)的建模，實(shí)現(xiàn)二維到三維的結(jié)構(gòu)單一轉(zhuǎn)變，對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的多種變換還不能實(shí)現(xiàn)。第三，缺少專用的可用于4D 打印的設(shè)備，因4D 打印尚處于初始研究階段，物體打印主要還是應(yīng)用3D 打印機(jī)，不能有效實(shí)現(xiàn)4D 打印的理念需求。

由3D 到4D，增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)了智能跳躍，3D打印是實(shí)現(xiàn)4D 打印的技術(shù)基礎(chǔ)，兩種技術(shù)并不能完全割離開來，需要將兩者有效結(jié)合方能實(shí)現(xiàn)增材制造技術(shù)在工程應(yīng)用上的突破性發(fā)展。目前，世界上技術(shù)發(fā)達(dá)的國家正在大力推進(jìn)增材制造技術(shù)在航天領(lǐng)域的研究和工程應(yīng)用，這不僅僅局限于地面工程的零部件制造，太空在軌增材制造技術(shù)在航天領(lǐng)域同樣具有巨大的優(yōu)勢與潛在應(yīng)用價值，通過外太空空間站構(gòu)建增材制造設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)零部件的在軌組裝、修復(fù)與替換，同時可以就地取材，實(shí)現(xiàn)外太空垃圾材料的再利用與產(chǎn)品復(fù)制，減少火箭發(fā)射密度進(jìn)而降低成本［40］。美國Tethers Unlimited 公司是一家致力于開發(fā)太空服務(wù)技術(shù)的航天科技公司，該公司計(jì)劃開發(fā)一種名為SpiderFab 的制造系統(tǒng)（圖18），希望能夠直接在太空中打印出大型結(jié)構(gòu)，初期可能只是生產(chǎn)天線、太陽陣、桁架等，如果技術(shù)走向成熟，也可直接打印出航天器、大型空間站的主體結(jié)構(gòu)等［41］。俄羅斯也針對能在國際空間站（ISS）使用的增材制造機(jī)開展了相關(guān)研究，旨在克服外太空生產(chǎn)制造過程中遇到的難題，如材料供給、產(chǎn)品缺陷和尺寸限制等，該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將兩種材料加以組合，把熱塑性塑料與連續(xù)增強(qiáng)型碳纖維結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的打印，使得制件硬度提高10倍；希望通過打印機(jī)在太空直接生產(chǎn)電池、天線以及衛(wèi)星所需要的技術(shù)部件［42］，如反射器、天線以及太陽能面板，具備比當(dāng)前在國際空間站上使用的增材制造機(jī)更強(qiáng)的功能，可以開展更大的太空站實(shí)驗(yàn)，并具有打印新技術(shù)，以及直接將部件放到軌道上的能力，最終有希望在外層空間直接制造出整個衛(wèi)星。

圖18 SpiderFab制造系統(tǒng)Fig.18 SpiderFab manufacturing system

3 結(jié)語

與傳統(tǒng)制造成形工藝相比，增材制造技術(shù)能夠顯著降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率，且有效促進(jìn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的多樣化，對全球制造業(yè)的發(fā)展起到了重要推動作用。由3D到4D的發(fā)展跳躍，增材制造技術(shù)進(jìn)一步展現(xiàn)了其廣闊的發(fā)展?jié)摿εc應(yīng)用前景。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，歐美等國在增材制造領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展已經(jīng)相對成熟，為實(shí)現(xiàn)增材制造技術(shù)的“再工業(yè)化”，政府出臺了大量扶持政策，具有明顯的先發(fā)優(yōu)勢；國外形成以“企業(yè)-研究所-大學(xué)”的產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新體系，促進(jìn)了技術(shù)創(chuàng)新的快速發(fā)展。而我國增材制造技術(shù)發(fā)展相對較晚，相對歐美等國還難以抗衡，尚需提高增材制造材料的性能和材料種類數(shù)量，加大政策扶持，增進(jìn)科研院校與企業(yè)生產(chǎn)之間的相互聯(lián)系，以期能夠促進(jìn)我國的增材制造技術(shù)的平穩(wěn)快速發(fā)展。