作者：關志強、連芩 單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 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是一種以材料為導向的制造技術，打印分辨率與打印可擴展性/速度的權衡存在于各種類型的材料中。與此同時，4D打印與多功能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)共同推動著研究人員實現(xiàn)并利用高維增材制造技術。
香港大學的呂堅院士團隊總結了各種結構材料（包括聚合物、金屬、陶瓷、玻璃和復合材料）的3D/4D打印的最新進展以及它們未來可能應用到的場景；討論了結構材料AM的關鍵問題，包括可打印性、打印分辨率/可擴展性/速度等；解釋了目前設計3D/4D可打印材料、超材料、設備和系統(tǒng)的局限性和未來方向；提出并闡述了結構材料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將分別實現(xiàn)具有優(yōu)良行為的軟/硬混合系統(tǒng)和層次結構。多系統(tǒng)AM涉及到材料-結構-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/逐行/逐張/逐卷打印增加到逐塊打印。多功能AM包括對打印的結構材料進行預編程、實時處理或后處理，生成各種應用的功能材料。
圖1各種刺激之間的關系
對于4D打印，作者總結了各種響應材料和外部刺激機制之間的關系（圖1），可以為多響應致動器的設計和制造提供新的靈感。系統(tǒng)的闡述了各種驅(qū)動類型的4D打印，包括熱驅(qū)動、磁力驅(qū)動、電驅(qū)動、液體驅(qū)動、光驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、預應力驅(qū)動以及多驅(qū)動4D打印。指出了各種驅(qū)動4D打印的優(yōu)缺點以及未來的優(yōu)化方向。
圖2，結構材料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)展為結構應用提供了巨大的潛力（圖2）。如在航空航天領域、生物醫(yī)學領域、電子設備、核工業(yè)、柔性和可穿戴設備、軟傳感器、執(zhí)行器和機器人、珠寶和藝術裝飾品、陸上交通、水下設備和多孔結構等領域?qū)袕V泛應用。