供稿人:王清瑞/田小永 发布日期：2018-11-24
4D打印技术是在3D打印技术基础上发展起来的增材制造工艺，其原理是通过在材料的3D打印成形过程中控制其物理性能的非均质分布，使打印得到的结构能够响应外界刺激而产生自动的、可控的变形，传统4D打印工艺多采用形状记忆聚合物、吸水性水凝胶等材料，无法实现变形过程的可控设计，变形过程的环境要求苛刻，难以满足实际应用需求。
西安交通大学研究人员利用所开发的连续纤维增强复合材料增材制造设备，实现了可控变形复合结构的设计与制造，首次实现了基于连续纤维增强复合材料的4D打印方法（如图1所示）。
图1 利用纤维轨迹设计实现复合材料可控变形的4D打印流程
连续纤维嵌入复合材料4D打印与可控变形的原理，是在打印过程中控制连续碳纤维与基体材料的非均匀分布，利用纤维与树脂的热膨胀系数及弹性模量差异，提出了连续纤维增强复合材料结构可控变形4D打印策略，建立了可控变形可展开复合材料曲面结构设计准则，发现了曲面弯曲方向与两列平行纤维的锐角平分线保持一致的变形规律，建立了复合材料曲面结构弯曲曲率大小与纤维夹角、单列纤维曲率之间的定量关系，实现了变形复合材料曲面结构的可控设计；实现了多种可展开曲面的可控变形设计与4D打印，验证了复合材料结构可控变形机理（如图2、图3所示），解决了现有4D打印方法所制备结构变形速度慢、变形过程不能连续控制等瓶颈问题，为4D打印在航空航天领域的工程应用提供技术支撑。
图2 纤维轨迹与温度对复合结构形状的影响
图3 基于纤维轨迹设计的复杂曲面可控变形