作者：關(guān)志強(qiáng)、連芩 單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2021-06-10
增材制造（AM），在過去的30年中蓬勃發(fā)展，并且它的應(yīng)用在最近的５年間得到了加速發(fā)展。AM是一種以材料為導(dǎo)向的制造技術(shù)，打印分辨率與打印可擴(kuò)展性/速度的權(quán)衡存在于各種類型的材料中。與此同時(shí)，4D打印與多功能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)共同推動(dòng)著研究人員實(shí)現(xiàn)并利用高維增材制造技術(shù)。
香港大學(xué)的呂堅(jiān)院士團(tuán)隊(duì)總結(jié)了各種結(jié)構(gòu)材料（包括聚合物、金屬、陶瓷、玻璃和復(fù)合材料）的3D/4D打印的最新進(jìn)展以及它們未來可能應(yīng)用到的場景；討論了結(jié)構(gòu)材料AM的關(guān)鍵問題，包括可打印性、打印分辨率/可擴(kuò)展性/速度等；解釋了目前設(shè)計(jì)3D/4D可打印材料、超材料、設(shè)備和系統(tǒng)的局限性和未來方向；提出并闡述了結(jié)構(gòu)材料AM的發(fā)展將過渡到多材料AM、多模態(tài)AM、多尺度AM、多系統(tǒng)AM、多維AM和多功能AM。其中多材料AM將包括打印主體材料、支撐材料和介質(zhì)材料之間的材料組合。利用多模態(tài)AM、多尺度AM將分別實(shí)現(xiàn)具有優(yōu)良行為的軟/硬混合系統(tǒng)和層次結(jié)構(gòu)。多系統(tǒng)AM涉及到材料-結(jié)構(gòu)-工藝-性能一體化和并發(fā)制造。多維AM有兩層含義。(1)打印尺寸從2D/3D/4D AM增加到更高維度的AM；(2)打印效率從逐點(diǎn)/逐行/逐張/逐卷打印增加到逐塊打印。多功能AM包括對打印的結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行預(yù)編程、實(shí)時(shí)處理或后處理，生成各種應(yīng)用的功能材料。
圖1各種刺激之間的關(guān)系
對于4D打印，作者總結(jié)了各種響應(yīng)材料和外部刺激機(jī)制之間的關(guān)系（圖1），可以為多響應(yīng)致動(dòng)器的設(shè)計(jì)和制造提供新的靈感。系統(tǒng)的闡述了各種驅(qū)動(dòng)類型的4D打印，包括熱驅(qū)動(dòng)、磁力驅(qū)動(dòng)、電驅(qū)動(dòng)、液體驅(qū)動(dòng)、光驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、預(yù)應(yīng)力驅(qū)動(dòng)以及多驅(qū)動(dòng)4D打印。指出了各種驅(qū)動(dòng)4D打印的優(yōu)缺點(diǎn)以及未來的優(yōu)化方向。
圖2，結(jié)構(gòu)材料AM的多重視角
增材制造的材料和方法的快速而巨大的發(fā)展為結(jié)構(gòu)應(yīng)用提供了巨大的潛力（圖2）。如在航空航天領(lǐng)域、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、電子設(shè)備、核工業(yè)、柔性和可穿戴設(shè)備、軟傳感器、執(zhí)行器和機(jī)器人、珠寶和藝術(shù)裝飾品、陸上交通、水下設(shè)備和多孔結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域?qū)?huì)有廣泛應(yīng)用。