作者：关志强、连芩 单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2021-06-10
增材制造（AM），在过去的30年中蓬勃发展，并且它的应用在最近的５年间得到了加速发展。AM是一种以材料为导向的制造技术，打印分辨率与打印可扩展性/速度的权衡存在于各种类型的材料中。与此同时，4D打印与多功能转换系统共同推动着研究人员实现并利用高维增材制造技术。
香港大学的吕坚院士团队总结了各种结构材料（包括聚合物、金属、陶瓷、玻璃和复合材料）的3D/4D打印的最新进展以及它们未来可能应用到的场景；讨论了结构材料AM的关键问题，包括可打印性、打印分辨率/可扩展性/速度等；解释了目前设计3D/4D可打印材料、超材料、设备和系统的局限性和未来方向；提出并阐述了结构材料AM的发展将过渡到多材料AM、多模态AM、多尺度AM、多系统AM、多维AM和多功能AM。其中多材料AM将包括打印主体材料、支撑材料和介质材料之间的材料组合。利用多模态AM、多尺度AM将分别实现具有优良行为的软/硬混合系统和层次结构。多系统AM涉及到材料-结构-工艺-性能一体化和并发制造。多维AM有两层含义。(1)打印尺寸从2D/3D/4D AM增加到更高维度的AM；(2)打印效率从逐点/逐行/逐张/逐卷打印增加到逐块打印。多功能AM包括对打印的结构材料进行预编程、实时处理或后处理，生成各种应用的功能材料。
图1各种刺激之间的关系
对于4D打印，作者总结了各种响应材料和外部刺激机制之间的关系（图1），可以为多响应致动器的设计和制造提供新的灵感。系统的阐述了各种驱动类型的4D打印，包括热驱动、磁力驱动、电驱动、液体驱动、光驱动、气压驱动、预应力驱动以及多驱动4D打印。指出了各种驱动4D打印的优缺点以及未来的优化方向。
图2，结构材料AM的多重视角
增材制造的材料和方法的快速而巨大的发展为结构应用提供了巨大的潜力（图2）。如在航空航天领域、生物医学领域、电子设备、核工业、柔性和可穿戴设备、软传感器、执行器和机器人、珠宝和艺术装饰品、陆上交通、水下设备和多孔结构等领域将会有广泛应用。