形状记忆聚合物在4D打印技术中的应用进展

形状记忆聚合物(SMP)是一种典型的智能材料,其在特定条件下可以变形成临时形状,并在环境条件变化下固定该临时形状,再次受到刺激后可以主动回复到初始形状。在智能制造领域,智能材料与增材制造技术的结合催生了4D打印技术,实现了3D打印领域的跨越发展。当前主要发展的是形状记忆聚合物4D打印技术。文中重点介绍了4D打印SMP的实现方式以及各种刺激响应材料的特点,然后介绍了基于形状记忆聚合物的4D打印结构在航空航天、生物医疗和柔性机器人领域的应用研究,最后总结了4D打印形状记忆聚合物未来可能遇到的问题并展望了其未来可能的研究方向,旨在让更多人认识4D打印技术,促进其在各行业的应用发展。     

激励响应复合材料的4D打印及其应用研究进展

激励响应复合材料是一种智能材料,通常具有自感知、自主响应、形状记忆、自适应和自修复等特征。本文对4D打印中使用的激励响应材料进行了综述,重点介绍4D打印形状记忆复合水凝胶和形状记忆聚合物(SMP)及其复合材料的应用研究进展。最后,总结了4D打印在生物医疗和航空航天领域的应用现状,并对4D打印的未来发展趋势以及应用前景进行展望。4D打印是一项新兴制造技术,尽管目前已经出现了许多不同的打印方法、可打印智能材料和驱动方式,但是4D打印在实际工程应用中仍然面临许多挑战。新打印技术、新智能材料、新结构设计和建模软件需要发展以促进4D打印在软机器人、生物医学、航空航天和智能电子设备等领域的实际应用。     

4D打印形状记忆高分子的打印方法、驱动原理、变形模式和应用

形状记忆高分子(Shape memory polymer,SMP)是指能够感知外界环境变化的刺激并响应这种变化,对其状态参数进行调整,从而回复到预先设定状态的一类高分子材料.相对于形状记忆合金和形状记忆陶瓷,SMP具有可回复形变量大、响应温度便于调节、刺激响应方式丰富、材料属性多样化、形状记忆效应种类多等优点,在医疗器械、柔性电子、纺织品、信息载体、航空航天以及软体机器人等领域展示了巨大的应用潜力.但SMP的原始形状或回复后的永久形状都较为单一,而且成型过程高度依赖模具并受脱模工艺的巨大限制,其形状难以制作得非常复杂,难以进一步满足新兴高科技领域对智能结构复杂性的需求.针对上述难题,国内外学者在该领域已进行了一些创新性的研究,当前的研究热点主要集中在以下两个方面:(1)在热固性高分子材料中引入动态共价键,通过交联网络结构重排实现固态塑性,进而对形状记忆材料的几何结构进行复杂化,这类形状记忆高分子材料也称为热适性形状记忆高分子;(2)利用3D打印(Three-dimensional printing)技术打印智能材料,实现材料几何结构的复杂化,并产生了一类新的打印技术,称为4D打印(Four-dimensional printing).其中,SMP材料是当前4D打印使用最多的智能材料.近年来,研究者以SMP材料为研究对象,结合最新的4D打印技术,采用熔融沉积成型、立体光刻成型、墨水直写和聚合物喷射技术制备了3D形状复杂的具有各种刺激响应方式和形状记忆效应的形状记忆材料.基于驱动原理不同,热、光、电、磁和水刺激响应形状记忆4D打印结构已经被成功设计和制备,丰富了具有复杂几何形状记忆材料的刺激响应类型;在变形模式上,实现了具有双形形状记忆效应、双向形状记忆效应、多重形状记忆效应和顺序梯度响应的4D打印形状记忆材料的设计、制备和应用.本文综述了4D打印SMP的打印方法、驱动原理、变形模式和应用,最后概述了4D打印SMP材料存在的问题及展望了其未来的发展方向.     

4D打印及其关键技术

4D打印是3D打印结构在形状、性能和功能方面有目的性的演变,具有时间相关性、打印机无关性和可预测性,其智能动态特性使其具有良好的性能和广阔的应用前景。本文在简要回顾4D打印国内外现状的基础上,给出了4D打印的概念和组成要素,进而从打印结构形状变化的维度对4D打印进行了分类,同时对4D打印组成要素中的打印材料、激励机制和数学建模方法等关键技术进行了分析,最后指出4D打印技术的发展方向是将智能材料与3D打印相结合,将复杂结构简单化制造,利用其独特的自组装、自适应和自修复特性,实现在航天、深海、精确医疗等特殊服役环境和领域的自动化、智能化、个性化应用。     

碳纳米管复合材料的3D打印技术研究进展

3D打印技术是一项根据计算机模型设计快速加工和制造复杂几何形状组件的增材制造技术之一。其基于三维数据模型,通过电脑控制将材料进行逐层累积,最终将三维模型变成立体实物。相比于传统制造方法,3D打印技术具有节约工时、易操作、不需要模具、组件几何形状可控性强等优势。随着该技术的发展,依据打印技术成型的核心、材料以及设备等产生了熔融沉积塑型、选择性激光烧结成型、光固化立体成型/数字光处理成型、溶剂浇铸成型等若干类型的3D打印技术。本文重点介绍其中最具代表性的4种3D打印成型工艺的原理和特点,基于碳纳米管增强聚合物复合材料,综述近年来不同3D打印成型工艺的研究进展,同时预测3D打印成型工艺在该领域会向着高精度、产业化、大众化和高集成度的方向发展,3D打印材料的研发也会更具前景。     

4D打印复合软材料力学性能预测研究进展

4D打印是一门新兴的制造技术,所打印结构的形状、属性或功能在外部环境的刺激下会随着时间的推移而变化。智能软物质材料由于变形大,激励响应机制多,响应速度快等特点被广泛使用于4D打印中,尤其是形状记忆水凝胶和形状记忆聚合物。目前对复合软材料的刚度和弯曲形状的控制是4D打印在应用上的两个难题,建立4D打印复合结构的等效模量和曲率预测模型对复合软材料的力学性能的设计具有指导意义。本文对现有的4D打印复合结构的等效模量及弯曲曲率模型进行了概述,首先介绍了4D打印结构在静态和动态下的弹性模量预测模型,然后,重点综述了Stoney理论,Timoshenko理论和复合材料力学在复合软材料弯曲曲率建模上的应用。最后探讨了现有4D打印复合软材料力学预测模型存在的问题及主要发展的方向。      

4D打印技术:工艺、材料及应用

自1980年以来,3D打印就掀起了一片研究热潮,其凭借高使用效率、出色的表面分辨率和一步生产方面的高效率优势,被广泛应用于生物医学、电子学、自愈技术、工程应用以及仿生学领域.但3D打印技术存在难以打印复杂的结构及抑制应变控制的尺寸变化和各向异性行为的技术难题.为了克服其打印尺寸复杂性和不灵活性,人们引入了4D打印的概念.4D打印是基于智能材料、3D打印机和设计的跨学科研究,与3D打印产出的静态结构相比,4D打印产出的是一个动态结构.4D打印允许3D打印的结构响应外部刺激(例如温度、光线、水等),并随时间改变其形状或功能,从而使打印的产品不再局限于固定的形态,而是呈现多样化.自2013年首次概念化以来,4D打印就引起了研究者极大的兴趣.第四维度赋予了设计生命力,它使用刺激来驱动智能材料形状记忆效应的转变.智能材料是对环境敏感的材料,包括聚合物、合金、水凝胶、陶瓷和复合材料等,它们在热预应变、水吸收、电磁辐射活化、磁场、电流和电压、溶剂和pH值等外部环境刺激下,随时间发生自我变形、自我组装、自我分解、自我修复并更改属性或功能,呈现出变化多样的形态特征.4D打印通过模仿自然过程(花朵盛开、植物的变化和向日葵运动等)、探究材料的近似特征,在药物输送、可穿戴电子设备、时装、自动折纸结构、传感器和其他工程应用中被广泛尝试,并取得了惊人的成果.本文聚焦于4D打印中使用的材料系统和4D打印的具体应用,简要概述了4D打印的历史、定义、原理和基本要素之后,详细介绍了4D打印材料的系统分类,阐述了4D打印技术在生物仿生、生物医疗、折纸结构等相关应用领域的发展与挑战.最后,介绍了4D打印的趋势以及新领域的发展前景,为进一步的研究提供参考.     

3D打印陶瓷材料的成型及研究进展

3D打印技术作为一种区别于传统制造技术的新型技术,具有成型速度快以及精度高等优点,采用该技术制作的多功能陶瓷零件在工业、航空、医疗等领域有广阔的应用前景。本文介绍了几种3D打印陶瓷技术并阐述了各种方法的优缺点,还介绍了几种正在研究的3D打印陶瓷材料,对3D打印陶瓷技术的发展进行了展望。     

人体植入医用材料的3D打印技术研究进展

3D打印技术是一种与传统制备方式完全不同的新兴技术,是基于三维数学模型,通过逐层增加材料来实现成型的技术。3D打印技术在个性化设计以及复杂结构产品制备方面具有独特的优势,在人体植入物的结构设计和制造领域具有巨大潜力和研究价值,吸引了国内外工业界、医学界和社会媒体的广泛关注。目前制约该技术发展的主要因素是可打印材料种类有限。综述了几种人体植入医用材料及其3D打印成型技术,如骨支架、心脏血管支架以及药物定向运输材料的3D打印制备技术,并分析了以上技术各自的特点。最后结合各种3D打印成型技术的特点以及几个应用案例,对3D打印在人体植入物医学领域的发展进行了展望。     

基于熔融挤压快速成型的3D打印关键技术发展现状

3D打印技术是通过逐层添加材料,制造三维物体的数字化增材制造技术,结合了众多当代高新技术,将对未来制造业生产模式和人类生活方式产生重要影响。综述了基于熔融挤压快速成型技术(FDM)的3D打印关键技术中的数据模型的建立、快速成型技术和后处理技术的发展现状,介绍了各关键技术对零件成型效果的影响,并对该技术的未来发展趋势进行了展望。     

3D打印在教学中的应用研究

3D打印是一种新型的快速成型技术,它以计算机三维设计模型为蓝本,用软件将其离散分解成若干层平面切片,然后由3D打印机将粉末状、液状或丝状金属、陶瓷、塑料、细胞组织等材料逐层堆积黏结,最终叠加成型,制造出实体产品.目前,该技术已在各个领域都得到了广泛的应用.对3D打印的技术原理、特点、发展,3D打印在教学中的应用及作用做了深层次的探讨.最后,针对3D打印在教学中的应用,提出了需进一步思考和解决的相关问题.     

3D打印陶瓷铸型研究与应用进展EI北大核心CSCD

陶瓷铸型是一类应用于熔模精密铸造领域、用于成型铸件内外部结构的复杂部件。随着铸件复杂度的提升,需要更加精细、复杂的铸型来满足铸造需求,然而传统的陶瓷铸型成型手段如注射成型等存在成本高、研发周期长等问题,难以满足复杂精细结构的成型要求。3D打印技术作为一种快速成型手段能够精准成型复杂精细结构,将其应用于铸型生产,不仅能够解决复杂结构的成型问题,同时也能降低生产成本、缩短生产周期。本文主要阐述了3D打印技术在陶瓷铸型生产中的应用,从应用于铸型3D打印陶瓷材料的种类及特性、典型铸型3D打印技术及铸型打印后处理手段三个方面对3D打印技术陶瓷铸型的研究与应用进行介绍,并对该技术未来的发展进行展望,指出3D打印技术能够有效解决复杂陶瓷铸型的成型问题,从而满足复杂空心结构金属件的铸造需求。     

3D打印聚合物纳米复合材料的研究进展

相对于传统制造方法如挤出成型、模压成型等,3D打印技术不仅能够快速成型结构复杂且精细的产品,而且还可以根据不同功能、性能需求选择不同材料进行快速制造.凭借这一优势,3D打印越来越受到人们的重视,越来越多的3D打印产品被应用到人们的生活、学习和工作中.在众多3D打印材料中,聚合物材料(如热固性和热塑性聚合物等)的占比大、应用广,大到房屋内饰、小到微/纳米电子设备都可以通过3D打印聚合物材料来实现.然而,相比于传统方法制造的聚合物材料,3D打印聚合物材料强度低、打印层之间界面结合差,所以目前3D打印聚合物材料主要用于模型和非结构材料.为提高3D打印聚合物材料的强度,纳米材料(如纤维素纳米晶)常被用作增强体与聚合物材料混合打印,以此制备高强、多功能的3D打印纳米复合材料.纤维素纳米晶来源广泛、价格低廉、可再生、强度高,是一种十分理想的天然纳米增强材料.因此,近年来纤维素纳米晶在3D打印聚合物纳米复合材料中的应用受到广泛关注.除研究纳米材料对3D打印聚合物材料性能的影响外,研究者们还从纳米材料改性和新型纳米材料的研发等方面不断进行尝试,在提高3D打印聚合物纳米复合材料强度的同时赋予其更多的功能性,并取得了丰硕的成果.此外,借助光固化3D打印和聚合物熔融沉积成型两项基本原理相近、成型机理不同的3D打印技术,研究者们从打印纳米复合材料的结构、性能及功能出发,分别研究不同打印技术实现材料"结构-性能-功能"的可能性和可行性,为3D打印聚合物纳米复合材料的拓展应用提供了可靠依据.本文在简述3D打印技术的基础上,重点阐述常用于热固性和热塑性聚合物3D打印技术的基本原理和特点;着重分析两项不同3D打印技术在聚合物纳米复合材料领域的应用情况,总结3D打印聚合物纳米复合材料的性能特征和应用范围,以期为3D打印纳米复合材料的广泛应用奠定基础.     

陶瓷3D打印技术及材料研究进展

综述了陶瓷3D打印技术和材料的特性及其研究进展与应用现状,重点讨论了喷墨打印技术、熔化沉积成型技术、光固化成型技术、分层实体制造技术、激光选区熔化技术/激光选区烧结技术、三维打印成型技术、浆料直写成型技术的特性和研究进展,分析了磷酸三钙陶瓷、氧化铝陶瓷、陶瓷先驱体、SiC陶瓷、Si_3N_4陶瓷、碳硅化钛陶瓷的特性和应用现状,最后指出了陶瓷3D打印技术的发展方向是与传统陶瓷工艺相结合,实现陶瓷制品的快速生产及生物陶瓷制品、高性能陶瓷功能零件的制造。     

科技部3D打印材料研究国家重点项目启动

正随着3D打印技术在全球的兴起,各国抓紧了针对相关材料和装备的研究发展。科技部近日立项了一批材料制造及激光制造的国家级重点项目,着力推动3D打印技术的基础研究和应用研究。国内领先的高分子复合材料生产商鑫达集团在这批项目中牵头承担了"高性能树脂及其复合材料高效高精度制造"项目,将在未来的四年内着力研究用于3D打印的高性能材料和激光成型技术。该项目启动仪式日前在北京举行,科技部相关负责领导及鑫达集团高层出席了仪式。     

3D打印技术在汽车零件包装设计中的应用

作为先进的数字化增材制造技术,3D打印成型以其个性定制、快速成型、可构造复杂型面、节省材料等特点,在包装设计中可以发挥突出的作用。本文介绍了5种常见的3D打印技术及其特点,并将3D打印技术应用在汽车零件包装设计中的各个环节,如样品制作、模拟验证、检具制作等,从而提高包装设计效率。     

3D打印用特种粉体材料产业发展现状与趋势

3D打印（增材制造）技术目前已经成为全球最关注的新兴技术之一，其专用材料尤其是高性能金属构件激光直接制造用特种粉体材料产业发展前景很好。本文对3D打印用特种粉体材料产业国内外发展现状及未来趋势进行了阐述。一、国际3D打印产业及其专用材料研发现状1．全球3D打印产业发展现状世界各国正在不断加强3D打印技术的研发及应用。欧盟和美国引领着世界3D打印技术的发展，并在该技术的应用和推广领域获得先机。     

高分子基功能复合材料的熔融沉积成型研究进展

3D打印又称增材制造技术,是基于材料、机械控制、计算机软件等多学科交叉的先进制造技术,可得到传统加工不能制备的形状复杂制件。熔融沉积成型(FDM)是目前最通用的3D打印技术之一,具有设备简单、成本低、操作便捷等特点,广泛应用于航空航天、医疗、汽车工业等领域。本文介绍了国内外3D打印技术的整体布局、发展和规划,总结了常见3D打印技术的特点和分类。系统地介绍了FDM加工技术的原理和优势,阐明了 FDM加工对高分子材料的基本要求,介绍了碳基高分子复合材料在FDM加工中的应用。此外,详细综述了国内外基于FDM打印技术制造功能化高分子复合材料及器件的最新研究进展,其中包括FDM打印制造导电高分子复合材料、导热高分子复合材料及生物医用高分子复合材料等,以期为FDM制造高性能多功能高分子复合材料的研究及应用提供借鉴。并对FDM加工面临的挑战及需要解决的关键问题提出了思考并做出展望。      

陶瓷产品数字化设计与模具精确成型方法研究

目的 传统陶瓷依靠手工直接制坯与石膏模具成型,但会存在尺寸精度不足与不便修整等问题。应用数字化技术完成陶瓷产品特征建模与子模模具设计,应用3D打印技术实施模具精确制造,使用直接或间接成型方法制得造型多样的陶瓷产品。方法 根据制定陶瓷3D打印精确成型技术路线,并以“跑车水杯”为例说明陶瓷产品精确成型过程,包括数据采集、逆向设计、3D打印子模模具、制造石膏子模、注浆成型等步骤。结论 基于数字化设计与模具精确成型技术,验证了定制的陶瓷产品精确成型方法,总结出陶瓷造型数字化设计流程及技术化科学研究进路,使生产效率提高的同时,还能制造多样化造型的陶瓷产品。     

中广核:金属3D打印制冷机端盖首次成功用于大亚湾核电站

正2月4日,中广核核电运营有限公司宣布,其科研项目"3D打印技术在核电站备件及零部件制造、维修过程中的关键技术研究"取得突破性进展,项目组选用电熔增材技术研发制造的制冷机端盖在大亚湾核电站压缩空气生产系统成功完成设备安装并通过设备运行再鉴定。据介绍,该金属3D打印制冷机端盖在大亚湾核电站的顺利安装和安全投运,成功解决了该系统制冷机端盖国外厂家设备改型、备件无法供货的难题,是3D打印技术在核电领域的国内首例工程实践示范应用,标志着3D打