楊繼全，施建平，翟飛琦，李 娜，張 華

(南京師范大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，江蘇 南京 210023)

根據(jù)3D打印領(lǐng)域的Gartner技術(shù)成熟度曲線可知，與異質(zhì)零件有關(guān)的多種技術(shù)，如生物醫(yī)學(xué)工程中的3D打印、航空國(guó)防應(yīng)用中的3D打印、可穿戴設(shè)備3D打印、4D打印等基本處于曲線中的起步上升階段，大部分技術(shù)的發(fā)展尚處于萌芽期，到達(dá)技術(shù)成熟基本都需要10年以上的研究發(fā)展時(shí)間。但異質(zhì)零件在多個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用已越來越多[1-11]。

1 在生物醫(yī)學(xué)工程中的應(yīng)用

1.1 醫(yī)療工程模型

在輔助醫(yī)療診斷方面，隨著數(shù)字化醫(yī)療技術(shù)的快速發(fā)展，醫(yī)療人員可以方便準(zhǔn)確地獲取生物體各組織的三維立體數(shù)據(jù)，應(yīng)用多材料3D打印技術(shù)，可快速構(gòu)建出各病變組織的異質(zhì)零件三維模型[12]。依據(jù)該異質(zhì)零件三維模型可更加精確地診斷患者病情，模擬手術(shù)，制定相關(guān)的手術(shù)方案。相關(guān)學(xué)者利用多材料3D打印技術(shù)提高了肝腫瘤手術(shù)切除的安全性，并極大提高了手術(shù)的效率，如圖1所示。

圖1 肝腫瘤術(shù)前評(píng)估

1.2 生物組織器官

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在美國(guó)每1.5 h就有1例病人因?yàn)榈炔坏胶线m的器官移植而死亡，每年有超過800萬例組織修復(fù)相關(guān)的手術(shù)。生物3D打印技術(shù)的目標(biāo)就是解決組織、器官短缺的問題。

人體是由多種細(xì)胞和基質(zhì)材料按特定方式有機(jī)組合而成的，具有高度的復(fù)雜性。組成人體的細(xì)胞有250種以上，僅一個(gè)腎臟就包含20多種細(xì)胞。軟骨組織是相對(duì)較簡(jiǎn)單的組織，細(xì)胞種類較少且沒有血管、神經(jīng)。1994年，科學(xué)家認(rèn)為組織工程技術(shù)是可以解決器官再造問題的技術(shù)，當(dāng)時(shí)首選的目標(biāo)就是制造皮膚或軟骨組織，但是至今沒有獲得真正意義上的成功，而生物3D打印技術(shù)可能是解決方法之一[13-17]。

人類可移植器官的制造是生物3D打印技術(shù)的一大夢(mèng)想，制造可移植器官的目的是使其具有人體組織生物印跡和許多復(fù)雜的功能性，如制造功能性血管系統(tǒng)等。面臨的挑戰(zhàn)包括如何測(cè)試器官的身體整合效能(避免排斥問題)、如何測(cè)試和證明器官長(zhǎng)期的生存能力和相關(guān)的副作用。哈佛大學(xué)Wyss研究所的Lewis研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種新的3D打印方法，可以打印出布滿血管、由多種細(xì)胞和細(xì)胞間質(zhì)組成的組織。該研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了3種不同的“生物墨水”：固定細(xì)胞的細(xì)胞間質(zhì)“墨水”、細(xì)胞間質(zhì)和特定細(xì)胞混合成的“墨水”，以及為了生成血管而特制的“墨水”，這種墨水有一種特殊的性質(zhì)，在低溫的條件下會(huì)自動(dòng)融化。將3種“墨水”在特定的程序下打印完畢之后，將打印生成的人工組織置于低溫條件下，此時(shí)那些為血管預(yù)留的位置就會(huì)逐漸融化開來，剩下的就是布滿各種管道的組織。此時(shí)，在管道中注入血管內(nèi)皮細(xì)胞，這些細(xì)胞就會(huì)附著在管道內(nèi)壁，重新發(fā)育成成熟的血管。至此，一個(gè)模擬人體組織的人工組織便形成了，如圖2所示。Lewis研究團(tuán)隊(duì)的終極理想是打印出可以用于人體移植的器官，但是在當(dāng)今的條件下，這顯然還有很長(zhǎng)的路要走。但這并不妨礙Lewis研究團(tuán)隊(duì)將其研究成果用于藥物的研發(fā)。

圖2 3D生物打印機(jī)及其打印的人工組織

如果可以方便地打印出人體器官，那么需要進(jìn)行器官移植的病人就不需要等待了，為此國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這方面進(jìn)行了積極的探索。Jin Woo Jung等利用多材料3D打印技術(shù)開發(fā)了一套生物3D打印系統(tǒng)，并進(jìn)行了耳朵、腎臟、牙齒組織的建模成形分析研究。美國(guó)Lawrence Livermore實(shí)驗(yàn)室的研究人員使用多材料3D打印技術(shù)打印出血管系統(tǒng)模型，可以幫助醫(yī)療人員在體外更加有效地復(fù)制人體生理機(jī)能，復(fù)雜的組織系統(tǒng)也被很好地再現(xiàn)出來。北京口腔醫(yī)院依據(jù)獲取的三維醫(yī)學(xué)模型打印以人牙髓細(xì)胞與海藻酸鈉共混物為材料的三維結(jié)構(gòu)體，經(jīng)驗(yàn)證，人牙髓細(xì)胞在三維結(jié)構(gòu)體中仍能生長(zhǎng)增殖。杭州電子科技大學(xué)以人卵巢癌細(xì)胞、海藻酸鈉等混合物3D打印體外卵巢癌三維結(jié)構(gòu)體，準(zhǔn)確地模擬了體內(nèi)腫瘤生長(zhǎng)機(jī)制，為腫瘤研究和抗癌藥物篩選提供了新的技術(shù)可能。Zhang等應(yīng)用生物打印技術(shù)對(duì)幾種具有代表性的組織器官進(jìn)行了打印研究，包括血管、心臟、肝臟以及軟骨等，如圖3所示。

圖3 3D打印的人造血管系統(tǒng)模型

1.3 生物3D藥品

3D打印藥物是指采用3D打印技術(shù)而不是使用傳統(tǒng)的固體劑量配方和生產(chǎn)方法進(jìn)行藥品的制備。該技術(shù)通過創(chuàng)建個(gè)體化劑量及改變藥物表面特性和形狀，賦予藥物特殊的釋放特性。同時(shí)，它也打開了將多種藥物融合成一顆多藥性藥物的門。3D打印藥物實(shí)際上是一種制劑加工技術(shù)，將液體制劑的靈活性與片狀制劑的準(zhǔn)確性結(jié)合形成3D打印藥片，這樣制成的藥片能夠更容易地吞咽和溶解。

總部位于賓夕法尼亞的Aprecia制藥公司采用3D打印技術(shù)開發(fā)3D打印藥物，該技術(shù)采用水溶性液體把多層粉狀物黏合在一起形成三維結(jié)構(gòu)的藥物[18]。Aprecia制藥公司為此開發(fā)了ZipDose技術(shù)平臺(tái)，不再使用傳統(tǒng)的壓片技術(shù)而是采用一層一層的打印來制備藥物。圖4所示為采用該技術(shù)平臺(tái)3D打印的癲癇病治療藥物Spritam。

圖4 3D打印的癲癇病治療藥物Spritam

多材料打印藥物在一定的介質(zhì)作用下可發(fā)生自變形，可以在抗癌藥物研發(fā)的過程中，針對(duì)性地將不同的癌癥細(xì)胞設(shè)置為觸發(fā)多材料打印細(xì)胞形變的介質(zhì)源。當(dāng)這個(gè)多材料打印細(xì)胞在人體內(nèi)遇到癌癥細(xì)胞的時(shí)候，就會(huì)自動(dòng)觸發(fā)形變功能，直接將癌癥細(xì)胞吞噬或釋放所攜帶藥物將其消滅，并在任務(wù)結(jié)束后通過自我“分解”隨人體代謝排出體外。作為癌癥治療的一個(gè)重要研究方向，多材料打印抗癌藥物甚至可以將癌癥治療的工作做到防患于未然。

1.4 醫(yī)療器械打印

現(xiàn)代醫(yī)療在通過放射線治療殺死癌細(xì)胞的過程中，也殺死了很多對(duì)人體有用的健康細(xì)胞。在這個(gè)治療過程中，如果能對(duì)癌細(xì)胞進(jìn)入隔離，進(jìn)行更精準(zhǔn)的放射區(qū)域定位，從而有效地殺死癌細(xì)胞而不對(duì)健康細(xì)胞造成損傷，那對(duì)于提升癌癥治療的成功率將是非常有幫助的。

多材料打印的放射性治療輔助護(hù)具等醫(yī)療器械將在這個(gè)方面發(fā)揮積極的作用。這些多材料打印的醫(yī)療器械可以以微小的體積進(jìn)入人體，根據(jù)人體不同部位的生存環(huán)境而產(chǎn)生形變，有效地隔離癌細(xì)胞并對(duì)健康區(qū)域進(jìn)行保護(hù)，讓癌癥治療變得“無害”。尤其對(duì)于一些重要器官或脆弱區(qū)域，如鼻子、眼睛、耳朵等部位的腫瘤治療，這些多材料打印的醫(yī)療器械將顯得更為重要。

1.5 在生物領(lǐng)域中的應(yīng)用

1.5.1在生物領(lǐng)域中的正面影響

多材料打印技術(shù)制造出的智能結(jié)構(gòu)，可以發(fā)生由一維結(jié)構(gòu)或二維結(jié)構(gòu)向三維結(jié)構(gòu)的變化，或者由一種三維結(jié)構(gòu)變成另一種三維結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的可變化性也給多材料打印技術(shù)的應(yīng)用帶來了無限的可能性，而生物醫(yī)療領(lǐng)域最有可能成為該項(xiàng)技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域。將多材料打印的產(chǎn)品應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，尤其是普及至人體內(nèi)應(yīng)用，無疑是人類健康醫(yī)療發(fā)展的福音。伴隨著納米技術(shù)與數(shù)字化制造在第四維空間研發(fā)的深入，多材料打印的產(chǎn)品將可以進(jìn)入非常微小的空間“工作”。

麻省理工學(xué)院數(shù)學(xué)家丹雷維夫曾表示，多材料打印有利于新型醫(yī)療植入物的發(fā)明。比如心臟支架，如果采用多材料打印技術(shù)制造，將不再需要給病人做開胸手術(shù)，可通過血液循環(huán)系統(tǒng)注射攜帶設(shè)計(jì)方案的智能材料，其到達(dá)心臟指定部位后自行組裝成支架。

多材料打印在生物醫(yī)療領(lǐng)域，尤其是癌癥治療方面將會(huì)有進(jìn)一步的應(yīng)用與發(fā)展。牛津大學(xué)圣安東尼學(xué)院榮譽(yù)學(xué)者納伊夫·魯贊曾在美國(guó)“外交”雙月刊網(wǎng)站發(fā)文稱，借助多材料打印的原理，研究人員還能夠利用DNA鏈制造出對(duì)抗癌癥的納米機(jī)器人。有外媒報(bào)道，美國(guó)國(guó)防部將撥付資金，支持美國(guó)西北大學(xué)生物納米科技研究所進(jìn)行多材料打印機(jī)的研究與開發(fā)，該設(shè)備將能夠?qū)崿F(xiàn)納米尺度下的操作，使得醫(yī)藥領(lǐng)域的多材料打印成為可能。

1.5.2在生物領(lǐng)域中的負(fù)面影響

將多材料打印物體應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，尤其是普及至人體內(nèi)應(yīng)用，無疑是人類健康醫(yī)療發(fā)展的福音。但是，生物制造畢竟還遠(yuǎn)未成熟，其技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)，甚至涉及的社會(huì)安全、倫理安全等問題均不可小覷。

研究人員借助多材料打印的原理，利用DNA鏈制造出了對(duì)抗癌癥的納米機(jī)器人。由于能夠輕易獲得必要的工具，一些人可以利用此類技術(shù)來制造新的生物武器。人體內(nèi)的多材料打印細(xì)胞或納米機(jī)器人，如果監(jiān)控不到位的話，很容易演變成被不法分子利用的生物武器原型。而可編輯材料所具有的自變形特性，讓其相較于3D打印而言，被不法分子利用的風(fēng)險(xiǎn)性也很大。比如對(duì)于槍支等違禁物品來說，3D打印出來的直接是具體實(shí)物，相對(duì)容易被發(fā)現(xiàn)和控制；而多材料打印物在打印之初，有可能是任何形態(tài)的，只有在一定的環(huán)境和介質(zhì)作用下，才會(huì)“變形”為預(yù)先設(shè)定的真實(shí)形態(tài)。這類具有不可控制性、不可預(yù)見性的生物打印技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)給社會(huì)監(jiān)管、人類安全等帶來嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。

2 在國(guó)防工程領(lǐng)域中的應(yīng)用

多材料3D打印在國(guó)防工程領(lǐng)域的應(yīng)用是提升國(guó)家綜合創(chuàng)新實(shí)力的重要途徑之一。單材料3D打印已不能滿足全球市場(chǎng)對(duì)工業(yè)零件柔性和高效性的要求，多材料3D打印技術(shù)成為國(guó)防工程領(lǐng)域應(yīng)用的熱點(diǎn)并受到廣泛關(guān)注，發(fā)展十分迅速。

2.1 在航空航天裝備制造中的應(yīng)用

多材料3D打印零件能夠適應(yīng)航空航天領(lǐng)域?qū)τ陲w行器零部件設(shè)備的輕量化、功能性和高強(qiáng)度的要求。航空航天設(shè)備零部件大多數(shù)為單件定制部件，多材料3D打印技術(shù)減少了零部件裝配存在的安全隱患問題，實(shí)現(xiàn)了多材料零件結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計(jì)與制造[19-21]。多材料3D打印技術(shù)應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，能夠簡(jiǎn)化裝配流程，增加系統(tǒng)安全性和可靠性。

以連續(xù)纖維或長(zhǎng)纖維增強(qiáng)的高性能熱塑性復(fù)合材料(采用PEEK、PES、PPS等高性能熱塑性基體材料)，既具有熱固性復(fù)合材料那樣良好的綜合力學(xué)性能，又在材料韌度、耐腐蝕性、耐磨性及耐溫性方面有明顯的優(yōu)勢(shì)，而在工藝上還具有良好的二次或多次成形和易于回收的特性，有利于資源充分利用和減小環(huán)境壓力，具有良好的發(fā)展和應(yīng)用前景?？罩锌蛙嚬驹谶@方面處于領(lǐng)先位置，已從次承力結(jié)構(gòu)件向主承力結(jié)構(gòu)件發(fā)展，如空客A-380就采用了玻璃纖維增強(qiáng)的PPS熱塑性復(fù)合材料制造機(jī)翼前沿。

2.2 在武器裝備制造中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的武器裝備制造流程為制造→部署→使用→報(bào)廢，而多材料的武器裝備制造流程為半成品制造→部署→現(xiàn)場(chǎng)塑造→使用→回收→再部署。多材料打印生產(chǎn)的武器裝備可根據(jù)環(huán)境和攻擊目標(biāo)來優(yōu)化武器攻擊性能，從而提高作戰(zhàn)效能。值得一提的是，多材料打印技術(shù)可使智能材料感知外光的變化，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)與周圍環(huán)境融為一體，從而改善偽裝效果。美國(guó)陸軍部已投入大量資金開發(fā)“自適應(yīng)偽裝作戰(zhàn)服”。該作戰(zhàn)服的研究和開發(fā)如果成功，則具有以下3個(gè)方面的典型特色：1)隱身功能，該服裝能在不同的環(huán)境下自由變換色彩，實(shí)現(xiàn)士兵的自適應(yīng)隱身；2)適穿功能，根據(jù)溫度的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)服裝厚度和透氣性，實(shí)現(xiàn)士兵的自適應(yīng)舒適性；3)防彈功能，根據(jù)所受外力自動(dòng)調(diào)節(jié)服裝外圍硬度，平時(shí)穿著柔軟如織，遇子彈襲擊堅(jiān)硬如鋼，實(shí)現(xiàn)士兵的自適應(yīng)保護(hù)。

2.3 在大型軍用裝備構(gòu)件制造中的應(yīng)用

大型軍用裝備構(gòu)件制造的成本控制一直是個(gè)難題，然而利用多材料打印技術(shù)可以大為改善，人們可以控制智能材料的關(guān)鍵部位或敏感部位，把大型構(gòu)件設(shè)計(jì)成折疊狀，然后利用3D打印機(jī)得到半成品，通過特殊的參數(shù)刺激控制來實(shí)現(xiàn)大型軍用裝備構(gòu)件的自動(dòng)展開[22-23]。例如，將多材料打印技術(shù)應(yīng)用于軍用人造衛(wèi)星，通過該技術(shù)的自動(dòng)展開和組裝功能快速成形帆板和天線等大型構(gòu)件(圖5)，將大大減少機(jī)械部件的數(shù)量并減小它們的質(zhì)量，降低發(fā)射軍用衛(wèi)星所需成本。據(jù)有關(guān)報(bào)道，美國(guó)利用3D打印技術(shù)制造軍工部件已獲成功，但是仍需花費(fèi)大量的人力資源才能把這些部件組裝成完整的軍事用品。利用多材料打印技術(shù)制造出的部件，則無須人工組裝，它們會(huì)自動(dòng)組裝成為一個(gè)成品。試想若戰(zhàn)機(jī)的各個(gè)部件用多材料打印技術(shù)制造，則其無懼?jǐn)橙伺诨鸸簦瑩p壞的部件會(huì)快速被生長(zhǎng)出的新部件所取代，完好如初；將多材料打印技術(shù)應(yīng)用于防御工事外部罩殼的制造，制造的外部罩殼受到炮火襲擊后如有“裂痕”，則外部罩殼可以自行彌合裂痕，讓防御工事堅(jiān)固如初。

圖5 利用多材料打印的自動(dòng)展開和組裝功能快速成形帆板

2.4 在微型軍用機(jī)器人制造中的應(yīng)用

微型機(jī)器人將在未來戰(zhàn)場(chǎng)上執(zhí)行大量偵察和打擊任務(wù)，它的優(yōu)勢(shì)在于“微”，但目前的微型機(jī)器人仍是由大量的齒輪、軸承等機(jī)械部件組成的，這些部件的存在限制了其體積、質(zhì)量和能耗進(jìn)一步微型化。多材料打印技術(shù)將為微型機(jī)器人的制造、運(yùn)動(dòng)與變形提供新的技術(shù)路線，敏感材料的精確設(shè)計(jì)和控制有望取代齒輪等傳統(tǒng)機(jī)械部件的設(shè)計(jì)和控制，實(shí)現(xiàn)微型軍用機(jī)器人的進(jìn)一步微型化和靈活運(yùn)動(dòng)，從而顯著減小機(jī)器人的體積、質(zhì)量和能耗需求。

2.5 在軍事后勤保障中的應(yīng)用

多材料打印技術(shù)可將更多武器裝備制造成折疊狀態(tài)，方便遠(yuǎn)程機(jī)動(dòng)。同時(shí)采用多材料打印出的半成品將有更強(qiáng)的可塑造能力和環(huán)境適應(yīng)能力，也有望減少裝備器材的種類和庫(kù)存數(shù)量，提高后勤效率，發(fā)揮更強(qiáng)的作戰(zhàn)效能。比如利用多材料打印技術(shù)開發(fā)的萬能背包，這個(gè)背包平時(shí)與普通背包無異，但在海水中可立即變成救生艇，高空墜落時(shí)可變成降落傘，夜晚宿營(yíng)時(shí)可變成舒適帳篷。

3 在工業(yè)制造領(lǐng)域中的應(yīng)用

3.1 在硬質(zhì)合金工具制造方面的應(yīng)用

作為制造業(yè)的重要工具，硬質(zhì)合金刀具對(duì)耐磨性能和耐缺損性能要求很高，傳統(tǒng)的金屬陶瓷超硬合金材料在工具的韌度方面有所不足，而異質(zhì)材料零件則允許韌度較大的材料如ZrO2作為工具的內(nèi)核材料，硬度較高的材料如TiC、TiN、Al2O3作為工具的表面材料，通過連續(xù)的梯度過渡形成梯度異質(zhì)材料結(jié)構(gòu)以同時(shí)具有兩種材料的特性。

3.2 在壓電器件制造方面的應(yīng)用

壓電材料在醫(yī)療、傳感、測(cè)量等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，異質(zhì)壓電材料通常由壓電陶瓷和聚合物組成，能夠同時(shí)利用這兩種材料的有利屬性，兼具良好的加工性能以及柔韌性，易與空氣、水和生物組織實(shí)現(xiàn)聲阻抗匹配，并且實(shí)現(xiàn)輕量化，如由PZT(鋯鈦酸鉛)和聚丙烯制備而成的梯度異質(zhì)材料壓電驅(qū)動(dòng)器。

3.3 在高溫環(huán)境部件制造方面的應(yīng)用

在航天、核工程、過程裝備等領(lǐng)域，梯度異質(zhì)材料零件常常用于極端的高溫工作環(huán)境，如由耐高溫的陶瓷材料和韌度大的金屬材料組成的梯度材料，材料體積分?jǐn)?shù)逐層變化引起的裂紋橋聯(lián)現(xiàn)象以及熱膨脹率的逐層變化改變了殘余應(yīng)力和裂紋生長(zhǎng)模式，這種梯度材料部件有很好的熱應(yīng)力松弛性能和抗斷裂性能。

3.4 在光學(xué)器件制造方面的應(yīng)用

如超高壓水銀燈使用金屬銅或金屬鉬與石英(SiO2)制備的梯度異質(zhì)材料插入鎢絲作為電極，梯度異質(zhì)材料的低熱膨脹系數(shù)提供了極好的密封可靠性，可提高燈的電極間的貼裝精度并有效控制殘余應(yīng)力。這種燈能夠承受持續(xù)不斷的熱循環(huán)而不發(fā)生破裂或爆炸，并具有極高的亮度。

3.5 在汽車制造領(lǐng)域的應(yīng)用

汽車制造中的汽車樣件快速開發(fā)、汽車復(fù)雜模具制造、汽車零件輕量化制造等均廣泛采用3D打印技術(shù)。其中，在高性能復(fù)合材料零件的設(shè)計(jì)與制造方面，多材料3D打印技術(shù)可以將多個(gè)零部件、多種材料等集成為整體工件，大幅簡(jiǎn)化裝配工作，并明顯提升了產(chǎn)品性能。越來越多的汽車制造商采用弧焊增材制造、等離子3D打印、激光熔覆等與多材料3D打印技術(shù)相關(guān)的技術(shù)，改進(jìn)或提高了工業(yè)零件模具設(shè)計(jì)方案評(píng)審、制造工藝裝配與檢驗(yàn)、功能樣件制造與性能測(cè)試等各方面的性能和效率[24-26]。

由沙特基礎(chǔ)工業(yè)公司(SABIC)研發(fā)的世界首款使用3D打印技術(shù)制造的概念車，車身采用創(chuàng)新材料和加工技術(shù)。車身的組裝由汽車設(shè)計(jì)公司LOCAL MOTORS完成，該3D打印汽車運(yùn)用了SABIC的LNPTM、STAT-KONTM碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。這些材料擁有出色的強(qiáng)度質(zhì)量比和高剛度，可最大限度地降低3D打印過程中的扭曲變形，增強(qiáng)設(shè)計(jì)美感，強(qiáng)化運(yùn)行性能。

總體來說，多材料3D打印在工業(yè)制造領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣闊，市場(chǎng)份額巨大，發(fā)展前景被廣泛看好。

4 在功能性零件制造中的應(yīng)用

4.1 4D打印零件

應(yīng)用多材料3D打印技術(shù)可以進(jìn)行特殊功能性零件(如形狀記憶材料零件)的制造，該技術(shù)也可以被認(rèn)為是4D打印，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)為在第四個(gè)維度——時(shí)間上變化。所謂的4D打印，比3D打印多了一個(gè)“D”也就是時(shí)間維度，人們可以通過軟件設(shè)定模型和時(shí)間，變形材料會(huì)在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)變形為所需的形狀。準(zhǔn)確地說，4D打印是一種能夠自動(dòng)變形的材料，直接將設(shè)計(jì)內(nèi)置到物料當(dāng)中，不需要連接任何復(fù)雜的機(jī)電設(shè)備，就能按照產(chǎn)品設(shè)計(jì)自動(dòng)折疊或展開成相應(yīng)的形狀[27]。

4D打印技術(shù)的概念是在2013年由麻省理工學(xué)院的Tibbits在TED會(huì)議上提出的，他將一段繩狀物放入水中后，該物體能自動(dòng)折成MIT字樣的立體結(jié)構(gòu)，由此開啟了4D打印技術(shù)的研究熱潮。4D打印技術(shù)是指由3D技術(shù)打印出來的結(jié)構(gòu)能夠在外界激勵(lì)下發(fā)生形狀或者結(jié)構(gòu)的改變，直接將材料與結(jié)構(gòu)的變形設(shè)計(jì)內(nèi)置到物料當(dāng)中，簡(jiǎn)化了從設(shè)計(jì)理念到實(shí)物的造物過程，讓物體能自動(dòng)組裝成形，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和裝配的一體化融合。

3D打印技術(shù)是建模在先，打印產(chǎn)品在后，而4D打印則是把產(chǎn)品設(shè)計(jì)嵌入可以變形的智能材料中，無須人為干預(yù)，通過某些特定條件激活，進(jìn)行自組裝，得到產(chǎn)品。4D打印的創(chuàng)新點(diǎn)在于“變”，它是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，它不但能夠創(chuàng)造出有智慧、有適應(yīng)能力的新事物，而且可以徹底改變傳統(tǒng)的工業(yè)打印。4D打印技術(shù)是對(duì)3D打印技術(shù)的改進(jìn)和完善，在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的今天，完全有理由相信，在不遠(yuǎn)的將來，4D打印技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際必將成為一種可能，且存在巨大的應(yīng)用前景。

MIT研究團(tuán)隊(duì)使用微型光固化技術(shù)打印各種結(jié)構(gòu)，包括線圈、鮮花和微型埃菲爾鐵塔等[28]。研究發(fā)現(xiàn)這些結(jié)構(gòu)可以拉伸至其原有長(zhǎng)度的3倍而不會(huì)斷裂，但當(dāng)它們被暴露在溫度為40～180 ℃的環(huán)境下時(shí)，只需幾秒鐘就會(huì)恢復(fù)到最初的形狀(圖6)。

圖6 隨溫度變化的多材料3D打印零件

4.2 智能化裝備

可穿戴式裝備的3D打印是可定制、獨(dú)特和時(shí)尚的，使用3D打印方法可進(jìn)行原型設(shè)計(jì)和制作。

應(yīng)用多材料3D打印技術(shù)，通過多種導(dǎo)電材料和非導(dǎo)電材料的不同比例打印，可以方便實(shí)現(xiàn)電路板等智能化裝備零件的3D打印。目前以色列Nano Dimension公司已經(jīng)成功開發(fā)出商業(yè)化的電路板3D打印設(shè)備，該設(shè)備可進(jìn)行線跡寬度為80 μm的多層電路板的打印。基于開源項(xiàng)目的Rabbit Proto也是一款能夠進(jìn)行電路板制作的3D打印設(shè)備。Steve Ready通過自己團(tuán)隊(duì)開發(fā)的多材料3D打印設(shè)備成功打印出集成無線壓力和溫度傳感器的運(yùn)動(dòng)鞋墊(圖7)。

圖7 3D打印的電路板及功能鞋墊

智能化裝備將感知(傳感器)、執(zhí)行(驅(qū)動(dòng)器)和信息處理(控制器)三者集于一體，兼具結(jié)構(gòu)材料和功能材料的雙重特性。智能復(fù)合材料不僅具備一般復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點(diǎn)，還可以在性能上互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料的性能，而且還擁有智能化的物理、化學(xué)、生物學(xué)效應(yīng)，能完成功能相互轉(zhuǎn)化。因此，智能復(fù)合材料及其相關(guān)研究得到了國(guó)內(nèi)外研究者的密切關(guān)注。圖8所示的康復(fù)輔助外骨骼、可穿戴設(shè)備和智能蒙皮，這些在不久的將來都可以利用3D打印技術(shù)進(jìn)行加工成形。

圖8 3D打印的智能化裝備(主要應(yīng)用領(lǐng)域)

4.3 超材料3D打印

超材料(metamaterials)是一種人工設(shè)計(jì)的復(fù)合結(jié)構(gòu)、復(fù)合材料或新型運(yùn)動(dòng)機(jī)制，具有很多自然材料不具備的超常物性，如負(fù)磁導(dǎo)率、負(fù)折射率、逆多普勒效應(yīng)、逆切連科夫(Cerenkov)輻射、負(fù)泊松比、負(fù)熱膨脹等。超材料的基本物性突破了構(gòu)成材質(zhì)的限制，其基本物性源于精巧且致密的設(shè)計(jì)——微晶單元的特性以及微晶單元的空間分布。

2011年，康奈爾大學(xué)烏力·韋斯勒領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)提出了一種制造三維超材料的新方法，即利用化學(xué)方法讓嵌段共聚物自組裝成納米結(jié)構(gòu)。近年來，3D打印技術(shù)作為一種數(shù)字化、直接化的制造技術(shù)，從形狀來說可以實(shí)現(xiàn)“所想即所得”，從材料來說可以實(shí)現(xiàn)材料的數(shù)字化復(fù)合或組合，從尺度來說可實(shí)現(xiàn)從納米級(jí)到米級(jí)結(jié)構(gòu)的制造，從而為超材料的加工實(shí)現(xiàn)提供了一種全新的、靈活的方案。3D打印技術(shù)和超材料技術(shù)都被看作顛覆性技術(shù)，二者的融合創(chuàng)新應(yīng)用無疑具有不可預(yù)估的價(jià)值。

超材料的設(shè)計(jì)需要更深入、更系統(tǒng)的研究，需要從多材料、微晶結(jié)構(gòu)、多尺度等多個(gè)維度加強(qiáng)理論和實(shí)驗(yàn)研究，繼續(xù)擴(kuò)展超材料的家族譜系。在未來，超材料設(shè)計(jì)將會(huì)比以往各個(gè)時(shí)候更具挑戰(zhàn)性。結(jié)構(gòu)與功能特性將越來越緊密地結(jié)合在一起。超材料的超常特性源自數(shù)字化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因此還要研究超材料的數(shù)字化設(shè)計(jì)和仿真平臺(tái)。

美國(guó)佐治亞理工學(xué)院的Wang 等研究人員設(shè)計(jì)了一種拉脹超材料，如圖9所示，梁臂部分選用剛性材料，梁臂鉸接處選用彈性材料，已在Objet Connex350 3D打印機(jī)上制作出實(shí)物。

圖9 拉脹超材料模型及其3D打印實(shí)物

4.4 個(gè)性化服飾定制

應(yīng)用多材料進(jìn)行3D打印個(gè)性化服飾近年得到了很大的應(yīng)用與發(fā)展，例如，Adidas推出了一款新型概念鞋，此概念鞋由兩部分組成——海洋塑料制成的上層和鞋底夾層，鞋底夾層以可回收性聚酯和刺網(wǎng)為材料，通過3D打印制成，該材料是海洋塑料碎片的一部分，極大地促進(jìn)了材料的可持續(xù)發(fā)展與創(chuàng)新。New Balance公司為運(yùn)動(dòng)員Jack Bola設(shè)計(jì)了一款運(yùn)動(dòng)鞋，定制的運(yùn)動(dòng)鞋底選擇尼龍材料，通過傳感器、動(dòng)作捕捉系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)構(gòu)建三維模型，采用SLS工藝加工而成，從而提高鞋的合體度，為開拓個(gè)性化定制市場(chǎng)提供了新的方向。

3D打印可以滿足消費(fèi)者對(duì)舒適性與功能性的不同需求，采用3D打印生產(chǎn)定制服裝將會(huì)成為服裝產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新方向。該種定制化生產(chǎn)方式使用材料較少，節(jié)約成本，能夠直接將三維設(shè)計(jì)文件轉(zhuǎn)變?yōu)榉b實(shí)物，省去了傳統(tǒng)服裝生產(chǎn)工藝中煩瑣的工序，從而極大地提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，縮短服裝生產(chǎn)周期，提高了服裝產(chǎn)品的技術(shù)含量，并且給面臨資源短缺的服裝產(chǎn)業(yè)帶來了新的發(fā)展契機(jī)。

5 結(jié)束語

異質(zhì)零件在生物3D打印、航空航天器件打印、高性能工業(yè)零部件制造等領(lǐng)域的應(yīng)用已越來越廣泛，激光、弧焊、等離子、電子束3D打印已經(jīng)進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)化階段；在4D打印、超材料打印、智能器件打印等方面的研究也越來越深入。隨著異質(zhì)零件CAD建模技術(shù)、異質(zhì)材料設(shè)計(jì)及制備技術(shù)、異質(zhì)零件成形技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的逐漸成熟，異質(zhì)零件將會(huì)在更多領(lǐng)域有更為新穎及可期的應(yīng)用。