增材制造與創(chuàng)新設(shè)計(jì)：從概念到產(chǎn)品 課件 第8章 4D打印與增材制造的未來(lái)

第8章4D打印與增材制造的未來(lái)增材制造與創(chuàng)新設(shè)計(jì)：從概念到產(chǎn)品目錄contents218.2增材制造的未來(lái)8.14D打印技術(shù)8.14D打印技術(shù)8.1.14D打印技術(shù)概述4D打印技術(shù)是在3D打印的基礎(chǔ)上引入時(shí)間維度，在一定外界刺激的作用下，4D打印智能材料的形狀、結(jié)構(gòu)和功能隨著時(shí)間的推移而不斷變化。如下圖所示，增材制造目前多指3D打印(三維幾何空間：X+Y+Z)，未來(lái)增材制造還會(huì)包括4D打印(3D打印十時(shí)間)、5D打印(4D打印十生命)、6D打印(5D打印十意識(shí))等。3D打印可成形任意復(fù)雜形狀的結(jié)構(gòu)/功能構(gòu)件；4D打印最終形成可控的智能構(gòu)件；5D打印可成形可控的生命器官；6D打印可成形可控的智慧物體。4D打印技術(shù)的概念最初是由美國(guó)麻省理工學(xué)院的Tibbits教授在2013年的TED大會(huì)上提出的。4D打印過(guò)程通過(guò)對(duì)觸發(fā)器做出反應(yīng)的智能材料，水、熱、光和電流是常見的觸發(fā)因素。近10年來(lái)，“4D打印”概念的提出引起了社會(huì)和學(xué)術(shù)界廣泛的關(guān)注。美國(guó)在4D打印技術(shù)的研究上處于領(lǐng)先，中國(guó)緊隨其后，但中國(guó)的高水平論文發(fā)表數(shù)量大約只有美國(guó)的一半，所以在未來(lái)一段時(shí)內(nèi)4D打印技術(shù)將成為增材制造技術(shù)方向的研究熱點(diǎn)。目前研究4D打印的工藝以現(xiàn)有常見的3D打印工藝為主，主要有熔融沉積成形（FDM）、光固化成形（SLA）、墨水直寫（directinkwriting，DIW）、噴墨打?。╥nkjet）、數(shù)字光處理（digitallightprocessing，DLP）、激光選區(qū)燒結(jié)（SLS）和激光選區(qū)熔化（SLM）。8.1.14D打印技術(shù)概述4D打印材料按屬性不同，可分為聚合物、形狀記憶合金和陶瓷材料。比如，自動(dòng)調(diào)溫纖維材料4D打印，如果你曾經(jīng)坐在一架悶熱的飛機(jī)里汗流浹背，你就會(huì)體會(huì)到空客公司研發(fā)的可編程碳纖維的好處了。這項(xiàng)發(fā)明還能維持艙內(nèi)氣壓，使人們可以在飛機(jī)內(nèi)更舒適地呼吸。再比如自動(dòng)變形管道材料4D打印，如下圖所示，洪水來(lái)臨時(shí)，大量水涌進(jìn)下水道，管道面臨巨大壓力，甚至可能會(huì)破裂。可編程管道可以根據(jù)水流強(qiáng)度調(diào)整管道直徑從而解決這一問題。遇到地震，管道還可以通過(guò)編程變彎曲，而不會(huì)破裂。8.1.14D打印技術(shù)概述4D打印通過(guò)對(duì)材料和結(jié)構(gòu)的主動(dòng)設(shè)計(jì)，使構(gòu)件的形狀、性能和功能在時(shí)間和空間維度上能實(shí)現(xiàn)可控變化，滿足變形、變性和變功能的應(yīng)用需求。3D打印技術(shù)要求構(gòu)件的形狀、性能和功能穩(wěn)定，而4D打印技術(shù)要求構(gòu)件形狀、性能和功能可控變化，由此可知4D打印不只是“能看”，而且要“能用”。對(duì)4D打印的深入研究必將推動(dòng)材料、機(jī)械、力學(xué)、信息等學(xué)科的進(jìn)步，為智能材料、非智能材料和智能結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展提供新的契機(jī)。4D打印這種極具顛覆性的新興制造技術(shù)在航空航天、生物醫(yī)療、汽車、柔性機(jī)器人等領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景。8.1.24D打印應(yīng)用領(lǐng)域1、航空航天領(lǐng)域4D打印技術(shù)還可用于成形折疊式衛(wèi)星天線。形狀記憶合金(Shapememoryalloy，SMA)是一種具有變形回復(fù)能力的智能金屬材料，常用于4D打印工藝，用來(lái)成形結(jié)構(gòu)復(fù)雜的智能構(gòu)件，如右圖所示，這種折疊式的衛(wèi)星天線就是一例典型應(yīng)用。8.1.24D打印應(yīng)用領(lǐng)域2、生物醫(yī)療領(lǐng)域利用4D打印技術(shù)成形醫(yī)療支架，在植入前對(duì)其進(jìn)行變形處理，使之體積最小，在植人人體后，通過(guò)施加一定的刺激使其恢復(fù)設(shè)定的形狀以發(fā)揮功能，這樣可以最大限度地減小患者的傷口面積。8.1.24D打印應(yīng)用領(lǐng)域2、生物醫(yī)療領(lǐng)域美國(guó)喬治·華盛頓大學(xué)的Miao等利用新型可再生大豆油環(huán)氧丙烯酸酯，光固化成形了具有高生物相容性的支架，該支架能夠促進(jìn)髓間充質(zhì)干細(xì)胞的生長(zhǎng)，并且能夠在-18℃下維持折疊的形態(tài)，在人體正常體溫（37℃）下恢復(fù)到初始狀態(tài)。（a）3D光固化打印機(jī)打印大豆油環(huán)氧丙烯酸酯材料的制備原理；（b）聚合大豆油環(huán)氧化丙烯酸酯和常規(guī)聚合物的形狀記憶機(jī)制差異示意圖。8.1.24D打印應(yīng)用領(lǐng)域2、生物醫(yī)療領(lǐng)域荷蘭特溫特大學(xué)的Hendrikson等利用形狀記憶聚氨酯，4D打印出了不同孔隙結(jié)構(gòu)的支架。該支架在恢復(fù)初始形狀的過(guò)程中，會(huì)帶動(dòng)接種在上面的細(xì)胞發(fā)生形態(tài)的改變，進(jìn)一步誘導(dǎo)細(xì)胞的生長(zhǎng)，這樣的支架在人體骨、肌肉、心血管等組織再生中具有很大的應(yīng)用潛力。8.1.24D打印應(yīng)用領(lǐng)域2、生物醫(yī)療領(lǐng)域4D打印技術(shù)和可編程材料正改變我們的生活。美國(guó)密歇根大學(xué)C.S.莫特兒童醫(yī)院的葛林醫(yī)生針對(duì)“氣管支氣管軟化癥”的嬰兒，研發(fā)出了一種4D打印的呼吸道支撐器，有效避免嬰兒氣管塌陷。這種細(xì)小的支撐器可以保證嬰兒的氣道一直處于擴(kuò)張的狀態(tài)。隨著嬰兒逐漸長(zhǎng)大，這個(gè)支撐器會(huì)不斷擴(kuò)張，直到孩子能夠獨(dú)立呼吸，最終被人體降解吸收。8.1.24D打印應(yīng)用領(lǐng)域3、汽車領(lǐng)域在汽車領(lǐng)域，智能自修復(fù)材料可以大顯身手。汽車憑借智能材料，可以“記住”自身原來(lái)的形狀，甚至可以在汽車發(fā)生事故后實(shí)現(xiàn)“自我修復(fù)”的功能，還可以改變汽車的外觀和顏色。4D打印構(gòu)件組成的汽車會(huì)具有可變的外形，比如可調(diào)節(jié)的天窗和擾流板，汽車可以根據(jù)氣流改進(jìn)其空氣動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)，提升操縱性能。豐田公司采用TiNi基形狀記憶合金成形的散熱器面量活門，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度低于形狀記憶合金的響應(yīng)溫度時(shí)，形狀記憶合金彈處于壓縮狀態(tài)，則活門關(guān)閉：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度升高至響應(yīng)溫度以上時(shí)彈簧則為伸長(zhǎng)狀態(tài)，從而活門打開，冷空氣可以進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)室內(nèi)。8.1.24D打印應(yīng)用領(lǐng)域4、柔性機(jī)器人領(lǐng)域8.1.24D打印應(yīng)用領(lǐng)域4、柔性機(jī)器人領(lǐng)域柔性機(jī)器人相比于傳統(tǒng)的由電機(jī)、活塞、關(guān)節(jié)、鉸鏈等組成的機(jī)器人來(lái)說(shuō)更加輕便靈活，可以根據(jù)實(shí)際需要改變自身的尺寸和形狀，可用于更加復(fù)雜的作業(yè)中使其具有更高的安全性和環(huán)境相容性，因此柔性機(jī)器人有著巨大的應(yīng)用價(jià)值和前景。新加坡科技設(shè)計(jì)大學(xué)的Ge等通過(guò)多重形狀記憶聚合物4D打印成形出了多種仿生機(jī)械手結(jié)構(gòu)，在熱驅(qū)動(dòng)下，機(jī)械手可成功實(shí)現(xiàn)螺絲釘?shù)淖ト『歪尫牛麄兝眯螤钣洃浘酆衔锢w維和彈性基體4D打印成形出了熱驅(qū)動(dòng)的折紙結(jié)構(gòu)，聚合物纖維在一定的溫度范圍內(nèi)具有形狀記憶效應(yīng)，受熱刺激帶動(dòng)整個(gè)結(jié)構(gòu)發(fā)生折疊，該研究成果對(duì)于4D打印自組裝系統(tǒng)具有重要的意義。西班牙薩拉戈薩大學(xué)的López-Valdeolivas等利用液晶彈性體4D打印成形出了熱驅(qū)動(dòng)的具有軟體機(jī)器人功能的驅(qū)動(dòng)器，能夠在溫度刺激下進(jìn)行快速響應(yīng)，相對(duì)于常規(guī)的薄片形液晶彈性體驅(qū)動(dòng)力更大，形狀結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。8.1.24D打印應(yīng)用領(lǐng)域8.2增材制造的未來(lái)增材制造具有豐富的科學(xué)和技術(shù)內(nèi)涵，涉及機(jī)械、材料、計(jì)算、自動(dòng)化控制和其他先進(jìn)技術(shù)。由于其設(shè)計(jì)自由、快速成型、浪費(fèi)少以及能夠制造具有獨(dú)特性能的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，它在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、汽車、核能和建筑行業(yè)帶來(lái)了革命性的應(yīng)用。作為"中國(guó)制造2025"和"中國(guó)十四五規(guī)劃"等中國(guó)國(guó)家戰(zhàn)略中關(guān)鍵的工業(yè)技術(shù)，增材制將極大地促進(jìn)和引領(lǐng)中國(guó)智能制造的升級(jí)和發(fā)展。增材制造技術(shù)最重要的優(yōu)勢(shì)是釋放了材料選擇和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)自由，可以實(shí)現(xiàn)形狀可控和性能定制。增材制造技術(shù)通過(guò)建立從材料到最終應(yīng)用的數(shù)據(jù)流，成功實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)和制造過(guò)程的數(shù)字化。大多數(shù)處于不同狀態(tài)的工程材料都可以作為原材料在增材制造工藝中使用，其中甚至可以通過(guò)原材料的微觀結(jié)構(gòu)和成分設(shè)計(jì)來(lái)設(shè)計(jì)和制備新的特性和性能。從微觀尺度到中觀和宏觀尺度，增材制造技術(shù)為具有不同功能的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造帶來(lái)了重大機(jī)遇，特別是在復(fù)雜的曲面、分層晶格和薄壁/空心結(jié)構(gòu)方面。8.2.1增材制造未來(lái)技術(shù)研究路線2022年2月18日，《ChineseJournelofMechanicalEngineering：additiveMangacturingFrontiers》的首篇論文《RoadmapforAdditiveManufacturing：towardIntellectualizationandIndustrialization》，在ScienceDirect上線，14位中國(guó)增材制造專家西安交通大學(xué)李滌塵、田小永教授團(tuán)隊(duì)；南京航空航天大學(xué)顧冬冬教授團(tuán)隊(duì)；西北工業(yè)大學(xué)林鑫教授團(tuán)隊(duì)；清華大學(xué)林峰教授團(tuán)隊(duì)；華中科技大學(xué)宋波教授團(tuán)隊(duì)對(duì)增材制造的設(shè)計(jì)方法、材料、工藝和設(shè)備、智能結(jié)構(gòu)以及在極端規(guī)模和環(huán)境中的應(yīng)用進(jìn)行了全面的綜述，描述了未來(lái)5~10年的技術(shù)研究路線圖。技術(shù)路線圖從增材制造創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法、打印材料和設(shè)備工藝為基礎(chǔ)，向智能結(jié)構(gòu)，極端制造和活體打印應(yīng)用領(lǐng)域延伸，逐漸形成了數(shù)字化到智能化，創(chuàng)新概念到工業(yè)量產(chǎn)的過(guò)程。8.2.1增材制造未來(lái)技術(shù)研究路線1、設(shè)計(jì)方法論增材制造實(shí)現(xiàn)了三維結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品的智能設(shè)計(jì)和制造自由。為增材制造而設(shè)計(jì)已經(jīng)成為跨學(xué)科研究的新興領(lǐng)域。一種被稱為拓?fù)鋬?yōu)化的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法被用來(lái)生成創(chuàng)新3D打印結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出可調(diào)整的剛度、分層特征和出色的輕質(zhì)性能，通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化進(jìn)行的部件整合。此外，多學(xué)科優(yōu)化在最近得到了解決，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)需要滿足多個(gè)目標(biāo)并滿足相關(guān)的約束條件，如復(fù)雜的負(fù)載條件、高耐熱性、有限的應(yīng)力和位移等。8.2.2增材制造的未來(lái)探索方向在未來(lái)，3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)方法論有望在以下方面突破：（1）結(jié)構(gòu)、多目標(biāo)和多學(xué)科的拓?fù)鋬?yōu)化。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的綜合優(yōu)化需要考慮寬頻振動(dòng)、循環(huán)載荷下的材料疲勞極端高溫和強(qiáng)輻射等極端載荷條件。需要實(shí)施外部載荷的多物理模擬，以增強(qiáng)和拓寬綜合優(yōu)化的視野。所設(shè)計(jì)的部件保持必要的機(jī)械性能，并具有其他功能，例如光學(xué)、電磁、熱性能等。引入多物理驅(qū)動(dòng)的體積設(shè)計(jì)，將多尺度特征和多類型材料進(jìn)行數(shù)字化整合實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的功能融合。（2）知識(shí)庫(kù)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方法。這是智能設(shè)計(jì)和制造系統(tǒng)的一個(gè)重要方面，知識(shí)庫(kù)包括材料數(shù)據(jù)庫(kù)、功能晶格單元庫(kù)、工藝參數(shù)組合、以及它們之間的相互影響關(guān)系。這些信息可以通過(guò)多物理過(guò)程模擬、人工智能以及機(jī)器學(xué)習(xí)算法建立。（3）以成本為導(dǎo)向的設(shè)計(jì)。收集設(shè)計(jì)、制造和服役期間的真實(shí)數(shù)據(jù)流，支撐面向成本的設(shè)計(jì)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)的迭代過(guò)程在數(shù)字系統(tǒng)中進(jìn)行將顯著降低開發(fā)成本和時(shí)間消耗。（4）自動(dòng)化超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)方法，創(chuàng)造具有期望性能的超材料。8.2.2增材制造的未來(lái)探索方向2、3D打印材料電響應(yīng)智能結(jié)構(gòu)材料通常由電活性聚合物驅(qū)動(dòng)，如圖8-12所示，介電彈性體致動(dòng)器（DEA）和電活性水凝膠（EAH），因?yàn)樗鼈兙哂邢喈?dāng)大的應(yīng)變能力和能量密度。電響應(yīng)智能結(jié)構(gòu)材料通常通過(guò)分層或纏繞的方式將電致伸縮材料和非電活性材料結(jié)合起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)彎曲和扭曲等基本動(dòng)作，復(fù)雜的動(dòng)作可以通過(guò)多個(gè)基本動(dòng)作的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。8.2.2增材制造的未來(lái)探索方向在未來(lái)，3D打印材料有望在以下方面突破：（1）材料設(shè)計(jì)理論。通過(guò)材料基因組建立專業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)智能優(yōu)化選材。通過(guò)建立成分工藝、微觀結(jié)構(gòu)與性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，可以根據(jù)材料的性能設(shè)計(jì)出滿足要求的微觀結(jié)構(gòu)。（2）對(duì)于以目標(biāo)為導(dǎo)向的材料多層次、多因素設(shè)計(jì)對(duì)于結(jié)構(gòu)材料，要實(shí)現(xiàn)面向材料的增韌設(shè)計(jì)；對(duì)于智能材料，如形狀記憶聚合物和合金，有必要實(shí)現(xiàn)可控的變形恢復(fù)設(shè)計(jì)。（3）智能復(fù)合材料。先進(jìn)復(fù)合材料的先進(jìn)制造技術(shù)將為實(shí)現(xiàn)跨尺度智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造提供有力的工具。8.2.2增材制造的未來(lái)探索方向3、工藝與設(shè)備：工藝與設(shè)備未來(lái)行動(dòng)項(xiàng)如圖所示：8.2.2增材制造的未來(lái)探索方向在未來(lái)，3D打印技術(shù)工藝與設(shè)備有望在以下方面突破：（1）開發(fā)多機(jī)器人協(xié)作下的混合增材制造解決方案。以敏捷制造為核心的混合制造結(jié)合了各種加工技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，在多材料、多結(jié)構(gòu)和多功能制造方面顯示出良好的前景（2）提高監(jiān)控和傳感設(shè)備的功能和集成度。調(diào)幅過(guò)程中的信號(hào)處理涉及視覺、光譜、聲學(xué)和熱學(xué)。多功能單一裝置將顯著提高監(jiān)測(cè)和傳感裝置在工業(yè)中的普及性；同時(shí)，通過(guò)與數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件的耦合，將提高物理建模、過(guò)程優(yōu)化和閉環(huán)控制中的數(shù)據(jù)可用性。（3）將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合成增材制造數(shù)字孿生。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)可以解決數(shù)字孿生的核心問題——模型和數(shù)據(jù)，從而通過(guò)云平臺(tái)共享和分析數(shù)據(jù)和模型。（4）完善增材數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)。集成先進(jìn)設(shè)備或技術(shù)，如過(guò)程監(jiān)控、信息感知、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能、數(shù)據(jù)庫(kù)等。8.2.2增材制造的未來(lái)探索方向4、極端尺度和極端環(huán)境極端尺度：增材制造的發(fā)展主要從兩個(gè)極端尺度，一個(gè)是微/納米尺度，即實(shí)現(xiàn)微米和納米尺寸的精細(xì)3D打??；另一個(gè)是宏觀尺度，即實(shí)現(xiàn)大尺寸和高速3D打印。在航空航天領(lǐng)域，繼打印中國(guó)首架國(guó)產(chǎn)C919飛機(jī)的主風(fēng)擋窗框和中央法蘭盤等大型復(fù)雜鈦合金結(jié)構(gòu)件之后，中國(guó)又成功打印了世界上第一個(gè)重型運(yùn)載火箭上10米級(jí)別的高強(qiáng)度鋁合金連接環(huán)。這些突破克服了大尺寸結(jié)構(gòu)在打印過(guò)程中的結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力控制問題，為中國(guó)航天工程的快速發(fā)展提供了技術(shù)支持。極端環(huán)境：如極端溫度和壓力、強(qiáng)輻射和微重力。2020年，NASA完成了液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)3D打印雙金屬燃燒室的重要材料表征和測(cè)試，同時(shí)進(jìn)行了點(diǎn)火測(cè)試，證明了雙金屬燃燒室在惡劣溫度和壓力下的多功能性和生存能力。自2014年國(guó)際空間站配備3D打印設(shè)備后，中國(guó)也在2020年成功完成了首次微重力空間的3D打印測(cè)試。這個(gè)世界上第一個(gè)連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料的在軌3D打印測(cè)試使研究人員能夠檢查材料的成型過(guò)程，更好地說(shuō)明微重力對(duì)相關(guān)材料和結(jié)構(gòu)機(jī)制的影響。3D打印不僅有助于國(guó)際空間站上現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)設(shè)施，而且使長(zhǎng)時(shí)間的航天飛行、太空探索和殖民化更加方便和可持續(xù)。微/零重力、宇宙輻射、晝夜溫差大等極端環(huán)境條件對(duì)利用月球或火星雷石進(jìn)行原位打印有很大影響。8.2.2增材制造的未來(lái)探索方向4、極端尺度和極端環(huán)境極端尺度和極端環(huán)境：水相環(huán)境雙光子微納3D打印8.2.2增材制造的未來(lái)探索方向在未來(lái)，極端尺度下的3D打印技術(shù)有望在以下方面突破：（1）微/納米尺度。以雙光子聚合為代表的微納米尺度3D打印，由于克服了照明的光學(xué)極限，能夠以亞波長(zhǎng)空間分辨率打印納米結(jié)構(gòu)，打印精度小于100納米。這種高精度的復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)極大地拓寬了其在超材料和光電子領(lǐng)域的應(yīng)用。（2）宏觀尺度。實(shí)現(xiàn)任意形狀大型結(jié)構(gòu)體的全自動(dòng)化、無(wú)人化建造，同時(shí)打印內(nèi)部多功能組件和電線，以實(shí)現(xiàn)集成制造。大尺度3D打印有潛力用于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化制造，如建筑物、火箭甚至太空基地。在未來(lái)，極端環(huán)境下的3D打印技術(shù)有望在以下方面突破。（1）極端溫度和壓力、強(qiáng)輻射、微重力等極端環(huán)境。如微/零重力、宇宙輻射、晝夜溫差大等極端環(huán)境條件下的月球或火星原位打印。（2）開發(fā)相關(guān)的太空機(jī)器人和自動(dòng)化技術(shù)。為了適應(yīng)這種極端環(huán)境，需要開發(fā)優(yōu)良的抗輻射和耐熱電子器件和結(jié)構(gòu)材料，多傳感器集成和數(shù)據(jù)融合可能是未來(lái)無(wú)人系統(tǒng)探索的關(guān)鍵技術(shù)?？臻g敏捷制造需要控制系統(tǒng)“觀察-定位-決策-行動(dòng)”的獨(dú)特循環(huán)，以實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程的自適應(yīng)控制和監(jiān)控。（3）加速3D打印的數(shù)字化。利用數(shù)字孿生技術(shù)高效設(shè)計(jì)3D打印新產(chǎn)品，針對(duì)極端使用場(chǎng)景和環(huán)境的生產(chǎn)規(guī)劃。8.2.2增材制造的未來(lái)探索方向5、智能結(jié)構(gòu)智能結(jié)構(gòu)又稱機(jī)敏結(jié)構(gòu)（Smart/IntelligentMaterialandStructure），如圖8-15所示，在外界環(huán)境刺激下，如電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濕度、光、pH值等，智能材料結(jié)構(gòu)可將傳感、控制和驅(qū)動(dòng)三種功能集于一身，能夠完成相應(yīng)的反應(yīng)，智能材料結(jié)構(gòu)具有模仿生物體的自增值性、自修復(fù)性、自診斷性、自學(xué)習(xí)型和環(huán)境適應(yīng)性。8.2.2增材制造的未來(lái)探索方向在未來(lái)，智能結(jié)構(gòu)3D打印技術(shù)有望在以下方面突破。（1）融合不同的物理場(chǎng)和n維（nd）打印。用于復(fù)雜的多尺度結(jié)構(gòu)，基于傳感和驅(qū)動(dòng)能力的有效組合對(duì)刺激做出動(dòng)態(tài)響應(yīng)。（2）更多獨(dú)特功能的材料。如可編程材料（ProgrammableMaterial）是指物體能夠通過(guò)程序化的方式進(jìn)行變化（包括形狀、密度、模量、電導(dǎo)率、顏色等）。4D打印實(shí)際上使物質(zhì)的“可編程”成為現(xiàn)實(shí)，即通過(guò)設(shè)計(jì)理念階段對(duì)產(chǎn)物預(yù)編程，從而使其具有智能變化的特征。因此，4D打印也被認(rèn)為是3D打印與編程思想的結(jié)合，在某種程度上，可編程材料亦即智能材料。智能增材制造工藝和設(shè)備來(lái)精確地制造這些材料的多材料結(jié)構(gòu)。（3）在極端條件下的多物理領(lǐng)域中具有魯棒性和適應(yīng)性。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之初，就應(yīng)該考慮各種不同的工作條件，集成在線診斷，柔性控制、全生命周期設(shè)計(jì)和自動(dòng)原型制造的智能系統(tǒng)。8.2.2增材制造的未來(lái)探索方向6、生物制造在未來(lái)，生物3D打印技術(shù)有望解決器官移植和組織修復(fù)的挑戰(zhàn)，生物墨水——活體細(xì)胞打印技術(shù)+基因編碼技術(shù)可能創(chuàng)新出高級(jí)生物智能的產(chǎn)品。同時(shí)，多材料打印能力和高精度制造能力使其能夠制造出復(fù)雜的生物結(jié)構(gòu)，如血管、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和人工骨骼等，也能制造復(fù)雜的細(xì)胞模型和組織模型，用于藥物研發(fā)和藥物篩選。這將加速新藥開發(fā)過(guò)程，減少動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的依賴性，并提高藥物的有效性和安全性。伴隨著巨大的前景，3D打印的活體結(jié)構(gòu)在走向智能化和商業(yè)化時(shí)需要解決多方面的挑戰(zhàn)。8.2.2增材制造的未來(lái)探索方向（1）技術(shù)挑戰(zhàn)。3D打印的活體結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)和功能復(fù)雜性方面還不能完全匹配天然器官。增材制造技術(shù)在構(gòu)建復(fù)雜的多尺度結(jié)構(gòu)時(shí)需要更高的空間分辨率和效率，因此需要更多與增材制造兼容的功能生物材料。（2）跨學(xué)科挑戰(zhàn)。有效控制3D打印結(jié)構(gòu)內(nèi)的細(xì)胞發(fā)育為成功應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。對(duì)于植入的活體結(jié)構(gòu)的生物智能應(yīng)該進(jìn)一步建立活體結(jié)構(gòu)和人體之間的相互作用和聯(lián)系因此，需要機(jī)械工程師、生物工程師、生命科學(xué)家和臨床醫(yī)生之間的密切合作，根據(jù)對(duì)特定應(yīng)用的生物醫(yī)學(xué)見解來(lái)設(shè)計(jì)制造策略。（3）監(jiān)管和倫理挑戰(zhàn)。3D打印活體構(gòu)造構(gòu)成了生物醫(yī)學(xué)行業(yè)中一組新的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品受到高度監(jiān)管并涉及倫理問題。3D打印活體構(gòu)造的商業(yè)化需要一套系統(tǒng)的基于科學(xué)的法規(guī)，專門為這些產(chǎn)品設(shè)計(jì)，以解決潛在的醫(yī)學(xué)和倫理影響問題。8.2.2增材制造的未來(lái)探索方向面對(duì)未來(lái)，增材制造技術(shù)將進(jìn)一步向智能化和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。增材制造是一個(gè)極其復(fù)雜的系統(tǒng)，涉及多因素、多層次、多尺度，耦合了材料、結(jié)構(gòu)、各種物理和化學(xué)領(lǐng)域。有必要結(jié)合大數(shù)據(jù)和人工智能對(duì)這一極其復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行研究，并在增材制造多功能集成優(yōu)化設(shè)計(jì)的原理和方法上取得突破。通過(guò)發(fā)展主動(dòng)可控形狀的智能增材制造技術(shù)，為未來(lái)的增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)材料、工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品質(zhì)量和服務(wù)效率的飛躍式提升打下充分的科技基礎(chǔ)。具有自我采集、自我建模、自我診斷、自我學(xué)習(xí)和自我決策能力的智能增材制造設(shè)備是未來(lái)增材制造技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。應(yīng)開展增材制造技術(shù)與材料、軟件、人工智能、生命和醫(yī)藥科學(xué)的跨學(xué)科研究，實(shí)現(xiàn)重大原創(chuàng)性技術(shù)創(chuàng)新。增材制造的應(yīng)用