3D打印機組裝與調(diào)試 課件 第4講4D打印技術

4D打印技術授課教師：陳金英3D打印機組裝與調(diào)試4D打印技術013D打印機組裝與調(diào)試思考題024D打印技術簡介014D打印技術的定義4D打印是指利用“可編程物質(zhì)”和3D打印技術。

“可編程物質(zhì)”是指能夠以編程方式改變外形、密度、導電性、顏色、光學特性、電磁特性等屬性的物質(zhì)。

4D打印的第四維是指物體在制造出來以后，其形狀或性能可以自我變換。如，放入水中、或者加熱、加壓、通電、光照等制造出在預定的刺激下包括形態(tài)、密度、顏色、彈性、導電性、光學特性、電磁特性等可自我變換物理屬性4D打印技術簡介014D打印技術的定義4D打印制造的物體兩種形式物體的各部分連接在一起，可自我形成另一種形態(tài)或性能。

物體由可分離的三維像素組成。（一種基于體積的像素，與平面像素類似，三維像素是“可編程物質(zhì)”的基本單元，不同的“可編程物質(zhì)”具有不同的三維像素）三維像素可聚集形成更大的可編程部件，該部件也可分解成三維像素。4D打印技術簡介02構成要素4D打印的主要構成要素可以分為四個部分：01030204智能或刺激反饋材料4D打印設備外部刺激因子智能化設計過程4D打印技術視頻02構成要素4D打印技術簡介4D打印產(chǎn)物能夠根據(jù)應用場景的特定需求、刺激因子的特定作用條件下，進行的自發(fā)變化，展現(xiàn)出“智能”特性，將構成這類特殊物質(zhì)的基本材料稱之為“智能材料”(SmartMaterial)。從4D打印產(chǎn)物效能的角度，對材料命名。

“刺激反饋”是構成4D打印體材料的基本屬性之一，側重于材料能夠接受預設刺激，并產(chǎn)生一定反饋結果的能力。側重于材料本身所具有的屬性。智能或刺激反饋材料02構成要素4D打印技術簡介4D打印結構是通過打印設備將不同材料合理分布并一次成型的結構體。不同的材料屬性，如:溶脹比、熱膨脹系數(shù)，可以使結構按特定方式變化成為可能。Stratasys公司研發(fā)的聚合物噴射(PolyJetTechnology)3D打印技術，在處理復合材料的打印方面取得了較大進展。選擇性激光熔化技術(SelectiveLaserMelting)則使用具有高能量密度的激光，熔化金屬粉末層以創(chuàng)造均勻的3D金屬結構，不需要任何粘合劑和額外的支持，推動了4D打印的發(fā)展。4D打印設備02構成要素4D打印技術簡介刺激因子是用來改變4D打印結構體的形狀、屬性和功能變化的觸發(fā)器。研究者在4D打印領域中已經(jīng)運用的刺激因子包括：刺激因子水溫度紫外線光與熱組合水與熱組合刺激因子的選擇取決于特定的應用領域，也決定了4D打印結構體中智能材料的選擇。02構成要素4D打印技術簡介盡管智能材料自身在打印對象形態(tài)變化中扮演著至關重要的角色，但是基于對交互機制、可預測行為和需求參數(shù)充分考慮的復雜設計過程，也能夠保證達到可控結果的環(huán)節(jié)之一。

4D打印技術的優(yōu)勢是在空間合理分布不同材料，以創(chuàng)造復雜的3D形態(tài)的能力。通過設計智能材料分布的方向、位置，使結構體受刺激因子的刺激后，產(chǎn)生形態(tài)上的變化。智能化設計過程4D打印技術簡介034D打印流程由于4D打印結構體具有基于時間變化的特性，設計和制作流程中存在一個或多個中間形態(tài)。數(shù)字化設計過程傳統(tǒng)的3D打印技術，可以通過專業(yè)掃描儀或者DIY掃描設備獲取對象的3D數(shù)據(jù)，也可以使用3D制作軟件從零開始建立三維數(shù)字化模型。4D打印在數(shù)字化建模初，就將材料的觸發(fā)介質(zhì)、時間等變形因素，以及其它相關數(shù)字化參數(shù)預先植入打印材料中。4D打印技術簡介034D打印流程中間件成型過程3D打印設備開始工作到結構體離開工作臺的過程。4D打印過程中需要適當?shù)臄?shù)學模型的支持。如何預測結構體基于時間的形態(tài)變化過程，包括變化后的形態(tài)；如何提供避免自組裝行為過程中組件發(fā)生碰撞的理論模型；如何減少自組裝過程中的試錯性行為。數(shù)學問題包括4D打印技術簡介034D打印流程中間件成型過程數(shù)學問題，必須通過智能化的計算芯片加以判斷、解決。未來人工智能芯片可植入到3D打印設備之中，即3D打印設備也將具有“智慧性”。通過對數(shù)字化設計完成之后，傳輸?shù)酱蛴≡O備上進行數(shù)據(jù)分析，可以對材料進行合理安排，以保證最后的打印效果。未來4D打印設備會向標準化、模塊化的方向發(fā)展。不同模塊之間的可替換性，能夠基本保證針對不同材料、不同平臺的支持。4D打印技術簡介044D打印技術的主要優(yōu)勢1實物可從一種形態(tài)轉換成另一種形態(tài)，提供了最大限度的產(chǎn)品設計自由度。2可在打印部件中嵌入驅(qū)動、邏輯及感知等能力，且無需額外的時間和成本。3可在同一批次產(chǎn)品中定制生產(chǎn)。4生產(chǎn)個性化產(chǎn)品是4D打印的獨特優(yōu)勢。5可先打印極其簡單的結構，然后通過外部刺激轉變成具有復雜功能的結構和系統(tǒng)。6一旦制造出4D打印材料并嵌入動態(tài)功能，生產(chǎn)成品的功能將超過預期。4D打印技術簡介044D打印技術的主要優(yōu)勢7可從根本上消除供應鏈和組裝線。8利用設計和編程實現(xiàn)物質(zhì)世界的數(shù)字化。9數(shù)字文件可發(fā)送到世界任何地點，并收集合適的三維像素，制造所需產(chǎn)品。10三維像素的設計和制造將成為新興行業(yè)，所帶來的影響將異常深遠。11將激發(fā)科學家和工程師想象各種多功能動態(tài)物體，之后進行物質(zhì)編程，并利用4D打印實現(xiàn)，“物質(zhì)程序化”這一新領域可能將興起。4D打印技術簡介054D打印技術的應用領域生物、醫(yī)療領域人體組織及其組織器官4D打印血管，只需在材料內(nèi)部通過軟件設計編程置入實踐、觸發(fā)介質(zhì)等參數(shù)，可以解決材料唯一性的難題。在適應性方面，4D打印的血管具有自我調(diào)節(jié)和自我修復的效果，使得在生物、醫(yī)療領域的應用，有著其它技術無法企及的效果。4D打印技術簡介054D打印技術的應用領域生物、醫(yī)療領域醫(yī)療器械4D打印的主要應用構想，集中在人體植入物方面的醫(yī)療器械。如：納米機器人、器官支架等。4D打印技術簡介054D打印技術的應用領域軍事工業(yè)領域4D打印的結構體，具備自組裝、多功能和自我修復能力，可以使未來軍工設備，根據(jù)部署的不同現(xiàn)場環(huán)境和作戰(zhàn)目標，靈活調(diào)整以自適應實時戰(zhàn)況，提高作戰(zhàn)效能。4D打印技術的偽裝服，可兼顧輕便性的同時，根據(jù)季節(jié)、周圍環(huán)境重塑成需要的形態(tài)，為偵查人員執(zhí)行任務提供便利性。4D打印可以將大型軍用設備，在未布置前比實際形狀小得多的樣子呈現(xiàn)。

當將其放在特定的位置，再自動變形、自動組裝，在使用后還能回收帶走。4D打印技術簡介054D打印技術的應用領域產(chǎn)品設計領域與3D打印不同的是，4D打印將不再需要通過“定制”這一套程序來實現(xiàn)個性化產(chǎn)品制作，而是完全能即時地表達自己的想法并制作出來，且能隨時更新自己的創(chuàng)意。用個性化元素構建自己的個性化生活，使得私人訂制轉向私人工廠，加快產(chǎn)品創(chuàng)新速度。在互聯(lián)網(wǎng)+時代背景下，數(shù)字文件可在保證質(zhì)量不受影響的情況下無限復制，而4D打印可以將這種數(shù)字精度擴展到實體領域，從而保證實體產(chǎn)品精確的批量生產(chǎn)，降低不良率，提高生產(chǎn)效率。4D打印技術簡介054D打印技術的應用領域交通工具未來人們甚至可以根據(jù)所需汽車性能、外部形狀、內(nèi)部結構等購買汽車組件，隨時隨地通過組件的自組裝形成個性化定制的汽車產(chǎn)品。當前社會“停車難”的問題，隨著資源、空間的日益消耗逐漸被放大，汽車以后甚至可以折疊成不占空間的形狀，使停車問題不再令人頭疼。未來4D打印汽車通過革新的智能材料，當重大事故或者自然災害所產(chǎn)生的外部觸發(fā)介質(zhì)作用于材料時，其設計的反饋方式可最大程度保證車內(nèi)乘客的安全，未來安全氣囊可能被更具創(chuàng)造力的保護措施所取代。4D打印技術簡介054D打印技術的應用領域教育領域4D打印也為教育行業(yè)打開了一扇新窗口，但鮮有機構、學者研究、探索如何將4D打印技術運用在教育領域中。傳統(tǒng)教具、模型不具備“四維”的動態(tài)性，教師若通過特定的刺激方式使模型按照預定的變化方式，與課堂內(nèi)容相結合，可以調(diào)動學習積極性、提高專注度。4D打印技術簡介054D打印技術的應用領域建筑與航空航天領域4D打印在建筑領域具有無限的可能性，以地下排水系統(tǒng)為例，利用4D打印技術開發(fā)出的“自適應”水管，可以根據(jù)水管外壁受力的不同自行改變其管道直徑、材料剛性。利用4D打印建構的房屋物理空間將被賦予可變性，根據(jù)光照變化等刺激因子的作用，房屋內(nèi)部結構可以隨用戶需求而變化。航空航天工業(yè)對于空間的合理分配也有極高的要求，龐大的設備需要利用航天飛機的運送才能進入太空。而4D打印物體的自組裝行為，能夠為運輸過程節(jié)省較大空間，可將打印完成的組件以便于運輸?shù)?/p>