18、4D打印：材料、行为与设计的全面解析

4D打印：材料、行为与设计的全面解析

1. 4D打印的材料与计算机辅助设计

4D打印（4DP）需要使用活性形状记忆材料（SRMs），常见的有形状记忆合金（SMAs）和形状记忆聚合物（SMPs）。不过，研究表明传统聚合材料也能有显著的形状记忆效应（SME）。有机材料如木材和纸张可作为生物响应材料，像松塔的鳞片会随环境变化而开合，在温暖干燥时打开释放种子，寒冷潮湿时关闭保护种子。刚性材料（被动材料）可集成到4DP部件中，以展现不同类型的形状变化行为。

SMPs至少有两个相，一个稳定相用于稳定聚合物并使部件恢复到原始形状，另一个是临时相。这种部件可保持临时形状，直到受到外部刺激才恢复原状，这一过程就是形状记忆效应（SME），它可以是可逆或不可逆的。可逆的SME每次恢复后需要重新编程。SMPs的机制通过材料的热响应性或化学响应性实现。热响应性SMPs以玻璃化转变为阈值温度引发形状变化，化学响应性SMPs则通过浸入化学溶液刺激聚合物的增塑效应。热响应性SMPs通常通过材料挤出、材料喷射、薄片层压和光固化成型制造，化学响应性SMPs（如水凝胶）通常通过材料挤出和薄片层压制造。

材料的选择是4DP部件外观和功能的关键决定因素。高效的SRM应具备良好的形状固定性、出色的形状记忆效应、快速的形状变化速度，且能经历多次恢复循环而不丧失功能。可以通过基本几何编程（如折叠和弯曲）的形状记忆测试来研究SRM的特性。

通过计算机辅助设计（CAD）和模拟，科学家能够预测4DP部件的形状变化。一些研究人员还开发了方程来预测自组装部件和可折叠折纸结构的行为。例如，Mao等人制造了一种多材料层状复合材料，利用各材料对刺激的不同反应实现可逆形状变化，使部件能在稳定和刚性配置之间高效切换，无需手动或机械加载