增材制造智能材料研究现状及展望

增材制造智能材料研究现状及展望

方玲

湖北城市职业学校，湖北省黄石市 435000

摘要：增材制造技术自问世以来成为拓展多学科发展、实现多学科研究融合以及连接材料与产品的关键性技术，该技术颠覆了传统加工设计和制造理念，同时也是实现智能制造的重要方法。智能材料是对环境具有感知、可响应、自修复和自适应的一类材料。将智能材料与增材制造技术有机结合，可实现具有感受外部刺激或环境激活的三维智能器件的一体化制造。智能材料增材制造技术被广泛应用于个性化医疗、柔性电子和软体机器人等领域。

关键词：增材制造；智能材料；现状

增材制造是一种革命性的制造技术，它通过逐层添加材料的方式，将数字设计转化为实体产品，而非传统制造中的材料去除过程，随着先进材料科学和数字技术的迅速发展，增材制造已经成为制造业的一项重要革新，对各个领域产生了深远的影响。在增材制造领域，智能材料的研究和应用正日益引起广泛关注。智能材料具有响应外部刺激的能力，能够改变其形状、性质或性能，从而赋予产品更多的功能和智能化特性。这些材料包括具有形状记忆效应、自修复能力、传感功能等特点的材料，它们在增材制造中的应用潜力巨大。

一、增材制造智能材料的研究现状

（一）光敏效应

受太阳花向光性的启发，通过结合商用熔融沉积成型（FDM）打印机和智能材料炭黑聚氨酯（PUCB）制造了光敏形状记忆太阳花。太阳花的花瓣是用黑色的光敏形状记忆材料PUCB打印的，而太阳花的雄蕊、花梗和花颈由聚乳酸（PLA）打印而成。当接受光照时，花瓣中的炭黑吸收光线产生的热量而使温度升高到Tg（30℃）以上，太阳花花瓣从刚性转变为弹性和柔性，从而使得花瓣展开。当太阳能的温度低于Tg时，花瓣恢复至初始的闭合状态。

（二）4D打印形状记忆合金的组织性能调控

4D打印形状记忆合金在形状变化过程中，组织与性能也会发生即时变化，在研究过程中需要进行动态观察，并明晰其内在的联系。选区激光熔化工艺中，氧原子的存在会生成一定体积分数脆性氧化物Ti2NiOx（如Ti4Ni2O等），如何从制粉工艺、成形过程等减少氧的引入，以控制合金组织是极其必要的；碳原子的存在会在NiTi合金中生成TiC，这两种情况的出现会使基体中实际NiTi原子比与理论值存在差距，进而无法准确预估其相转变温度。选取激光熔化工艺制备的NiTi基合金可能存在胞状晶、树枝晶、等轴晶等，其相对分布区域、含量多少都会影响4D打印合金的性能，如何通过工艺控制或纳米级形核颗粒的添加实现对胞状晶、树枝晶、等轴晶等的分布与生长的有效调控，以提高其综合性能，极具挑战性。

（三）磁致变形高分子材料

磁致变形高分子材料根据变形原理不同可分为由磁热效应驱动的磁致变形SMP材料和由包裹在基体材料内的磁性粒子驱动的复合材料弹性体。磁致变形SMP一般是通过在热致变形SMP中添加铁磁性物质，并在磁场作用下因功率损耗产生热量驱动热致SMP基体的变形。通过FDM技术打印了Fe3O4/PLA复合材料支架，所打印的支架在27.5kHz频率的交变磁场驱动下可均匀加热至40℃，所制备的支架在骨组织修复领域有着巨大的应用前景。然而，与电致变形SMP相比，磁驱动SMP需要强磁场才能产生足够的焦耳热。

（四）化学感应型高分子材料

化学感应型高分子材料是指高分子材料在化学物质作用下，出现可逆变形的材料。化学反应方式有很多，例如pH敏感、盐敏感、葡萄糖敏感水凝胶等。智能水凝胶作为一类含有亲水基团、具有三维网络结构的高分子聚合物，具有极强的吸水和保水能力，作为化学感应型材料具有独特的优势。Tibbits等通过改变刚性塑料和水凝胶两种材料的空间分布，设计并打印了一系列由两种材料组合成的铰链结构。该结构在浸入水后因水凝胶的膨胀作用，线性铰链结构自主折叠成三维立体结构。利用SLA技术打印了具有热响应和pH响应的水凝胶材料，通过调整水凝胶组分，所打印的水凝胶表现出温度和pH值的双重响应效果。Huang等通过CLIP技术打印了钙离子触发变形的海藻酸/聚丙烯酰胺（polyacrylamide，PAM）水凝胶。该水凝胶具有优良的离子电导率，可用于高灵敏度压力传感器和复杂柔性电子器件。对增材制造各类高分子类智能材料的实现方式和驱动模式进行了归纳总结，可以看出现有的研究大多数是以热、电、光照、磁场等手段驱动SMP内固定相记忆初始形状以及可逆相随温度产生可逆固化和软化反应的方式实现变形。这种方法可操作性强、适用范围广，但存在着控制精度差、变形速度慢的缺点。对于智能水凝胶材料，在生物医药领域有着独到的优势，下一步研发具有高力学强度、耐严苛环境的水凝胶将具有良好的发展前景。而LCE材料、DE材料以及磁场驱动的材料则需要较强的外部驱动源，限制了此类材料的应用。因此，亟需新一代智能高分材料的研发，构建适用于新材料的增材制造技术，并进一步解决增材制造智能高分子材料的基础科学问题和工程技术问题。

（五）电致变形高分子材料

电致变形高分子材料是一-类在电刺激条件下产生变形响应的材料，如电致变形SMP，形状记忆水凝胶（shape memory hydrogel，SMH），压电聚合物，LCE，DE等。对于电致变形SMP，其变形驱动的机制与热致变形SMP变形驱动机制相同，是由通过添加的导电填料改善SMP的导电性，利用电流热效应作用于高分子材料本身并引起热响应变形。与电致变形SMP变形机理不同，压电聚合物，LCE，DE，IPMC则是由电场直接引起的变形。在压电材料打印方面，Li等，通过电场辅助FDM打印技术打印了铌酸钾钠（K1/2Na1/2NbO3，KNN）/聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride，PVDF）复合材料，在打印的过程中通过辅助电场直接极化。此外，PVDF等压电高分子材料也可通过DIW和SLA81技术打印，并通过添加BaTiO3l，KNN颗粒提升器件整体压电性能。在DE材料打印方面， Zhou等通过FD成形DE材料，该柔性机械手在加载电压至5kV时，表现出明显的形变。但DE变形方向受电极方向限制，需要通过结合增材制造设计方法和成形工艺以弥补。在电活性水凝胶打印方面，Han等通过PpSL打印了电活性水凝胶，在改变加载电压强度和方向时，所成形的柔性机械手实现双向和任意角度变形。电致变形高分子材料与电流引起的材料变形相比，具有响应快、控.制精确、外部刺激源加载简单的特点，另外部分电致变形高分子材料无需热机械训练工艺，这大大地简化了变形智能器件的制造流程。

二、４Ｄ打印技术面临问题及发展方向

首先，４Ｄ打印主要是在３Ｄ打印基础上，增加打印智能结构或者智能材料，目前能够实现４Ｄ打印的智能材料种类相对较少，使得４Ｄ结构的激励方式和变形模式受到限制，因此研发新型驱动模式的智能材料将是４Ｄ打印的一个重要研究方向。其次，４Ｄ打印的基本理念是将设计内置到物料中，能够对不同材料进行排列组合，打印出来的结构与变形是可控的，但是目前缺少能够进行多尺度、多元素、动态设计的４Ｄ设计软件，打印出来的结构相对简单，因此相应软件的研究开发也是必须的。最后，目前４Ｄ打印与非４Ｄ打印出的材料与结构的驱动性能相比还存在一定的差距，原因是智能材料的打印工艺尚不完善，此外，一些材料或结构未能实现打印制备。

结束语：

增材制造随着技术的不断进步，经历了从“从无到有”到“从有到好”到如今的“智能打印”的发展历程，材料上也从传统结构材料、复合材料过渡到现在的智能材料，所打印的器件也从结构支撑件发展成了现在的“结构-功能一体化”、“宏微观一体化”和“变形-变功能”的智能器件。增材制造技术的进步离不开新材料研制、新结构设计理论、新建模工具和新评价体系各方面的进步。因此，研发新一代混合式增材制造技术成形多激励响应、多功能的新型智能材料，实现“结构-功能”一体化智能构件的表达，将是智能材料增材制造方法的研究重点。

参考文献：

[1]耿鹏，陈道兵，周燕，等.增材制造智能材料研究现状及展望[J].材料工程，2022(6):12-26.

[2]王晓强，文世峰，周燕，等.多材料增材制造研究现状及展望[J].电加工与模具，2022(2):1-14，36.

[3]卓龙超，尹恩怀.电子工程增材制造研究现状及进展[J].电子元件与材料，2023(3):253-265.