供稿人：王子瑶 鲁中良 供稿单位：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：2023-03-19
1、熔融沉积成型(FDM)
FDM是一种基于挤压的AM方法，如图1a所示。灯丝由电动或液压马达控制的捏辊送至喷嘴。然后，灯丝被加热到熔融状态，在机械力的帮助下通过喷嘴头挤压到平台上，形成2D层，随后的2D层被挤压在前一层之上，形成3D结构。每一层的挤压和沉积聚合物通过结晶、链定向或重排、非共价键的恢复或化学交联等机制进行凝固。FDM是目前最流行的3D打印方法之一，因为其成本低和简单的显著优势。FDM方法可用于各种聚合物和复合材料的4D打印。最常用的两种材料是聚乳酸(PLA)和聚氨酯(PU)。热塑性聚乳酸是一种半晶形状记忆聚合物。为了提高PLA的形状恢复能力，Liu等。使用碳纳米管(CNTs)增强PLA (CNT/PLA)细丝打印角度铺层和矩形编织预制件，如图1b所示。
图1. (a)典型FDM挤压系统示意图。[41]版权2020。经施普林格Nature许可转载;(b) CNT/PLA预制件的微观结构设计和μ-CT图像。[42]版权所有2019年。Elsevier Science Ltd.授权转载。
2、直写成型技术(DIW)
DIW是另一种基于挤压的AM方法，它涉及通过注射器挤压油墨。粘弹性油墨通过喷嘴在压力下挤出，然后移动计算机控制的点胶机，一层一层地构建几何图形，如图2a所示。印刷结构的挤出效率和质量在很大程度上取决于所采用聚合物油墨的粘弹性特性和固化过程，因此材料和印刷参数的精心设计和选择非常关键。需要测量流变性能(粘度、屈服应力和弹性模量)来确定油墨的可打印性窗口。
通常DIW需要进行后处理，如光聚合或热固化。油墨可以由聚合物和胶体悬浮液配制而成。可以加入各种小分子和/或纳米填料来引入/诱导/增强反应性。Wei等人使用UV交联PLA基油墨进行DIW4D打印。聚乳酸溶解在二氯甲烷中，引入二苯甲酮(BP)和四氧化三铁分别实现形状记忆和远程响应特性，如图2b所示。
图2. (a)典型DIW工艺示意图。版权2020转载经John Wiley & Sons, Inc.许可;(b) UV交联聚合物基油墨的挤出和相应的UV交联反应示意图，版权所有2017，经美国化学会许可转载
3、光学印刷方法
SLA是工业上最早实现的3D打印方法之一，最小特征尺寸为50 μm。SLA通常使用光束光聚合和交联光固化单体，包含在前驱体溶液罐中，进入固化聚合物网络。在其他情况下，SLA还可以光交联大单体。在约束应变表面SLA中，位于缸下方的激光被聚焦在前体溶液上，并在焦点处发生选择性光聚合和交联，如图3a所示。而在自由表面SLA中，激光被放置在缸上方，固化物体向下被拖入树脂槽中。镜子的移动允许扫描溶液，以确定凝固和形成一层的位置，一旦一层树脂在平台上完全凝固，平台收缩，新的一层树脂被引入。
DLP也是一种基于光的打印方法，但它可以通过使用投影机发出的光一次固化一整层单体，如图3b所示，因此DLP可以获得更快的打印和生产，速度高于SLA，但通常打印分辨率较低。采用数字微镜装置或液晶显示器作为动态掩模，并将掩模图案投射到液体树脂上，实现了高速度。与FDM等其他3D打印方法相比，SLA和DLP在相同的打印速度下具有更高的打印分辨率，尽管在树脂损耗和打印成本方面它们都较低。
图3. (a)具有代表性的约束曲面SLA;(b) DLP过程示意图。
4、选择性激光烧结(SLS)
SLS是一种基于粉末的3D打印技术，它利用连续或脉冲激光束提高粉末的温度，将固体粉末转化为半液体状态，将粉末按预先设计好的分层结构粘在一起，然后降低建筑平台和新的粉末台为下一个循环烧结轧制，如图4a所示。对于SLS，为了提高物料在粉床上的有效扩散，原料应以适当粒度(最好在10-150 μm)和熔体流动指数的粉末形式存在。SLS打印机在打印过程中不需要辅助支架结构支撑，因为未烧结的粉末可以作为打印部分的支撑。因此，SLS的处理速度通常比SLA和FDM快。
受聚合物粉末制备技术的限制，只有少数几种聚合物材料，如PA、热塑性聚氨酯(TPU)和PDMS可以通过SLS技术用于4D打印。Ploszajski等使用PA12粉末用SLS打印出可编程的链甲结构，然后将打印出来的部分浸入铁磁流体中进行后处理。从铁磁流体中取出后，所有零件在90°C的烤箱中干燥48小时，使PA零件被干燥的铁磁流体(4.4 wt.%)覆盖，以获得磁性功能化链甲(Fe-mail)。没有外部磁场但一端固定的铁邮件向下下垂。但在垂直于Fe-mail末端的外加磁场作用下，Fe-mail被驱动成刚性的水平结构(图4b)。
图4.(a) SLS打印原理图。(b)非驱动和驱动状态下的Fe -mail和主动加劲腕撑示意图。