近日，3D打印技术参考注意到仿生制造的最新成果，意大利理工学院的研究人员开发了一种机械手，使用SLA 3D打印的仿生肌肉来模仿人类抓取物体，仅重8克的微型执行器举起了8kg的物体，这是其自身重量的1000倍。 在我国，华中科技大学史玉升教授团队近年来在Materials Today, Bioactive Materials、Acta Materialia、Engineering、Applied Materials Today等期刊上发表系列文章，发展了多场耦合的超材料结构设计方法，建立了仿生设计、有限元仿真、结构计算、实验验证与性能预测等模型，突破了多性能耦合设计约束限制，拓展了多性能设计与调控空间，为超材料设计与增材制造技术在航空航天、生物医疗等领域的应用奠定了理论基础。 超材料分类及典型应用 传统结构设计大多面向力学性能优化，在保证力学性能的同时实现轻量化。随着高端制造业的发展，构件面临极端服役环境，具有复杂化、整体化和多功能属性。多物理场耦合的多功能超材料设计逐渐发展起来。超材料结构往往极端复杂，具有宏微观跨尺度特点，传统制造技术难以实现，增材制造技术在制造这类复杂结构方面具有显著优势。团队在材料类期刊Materials Today上系统阐述了力学、声学等各类超材料基本原理和典型应用，介绍了典型超材料设计方法与增材制造工艺的研究进展，讨论了增材制造多场耦合超材料性能、超材料在设计方法方面的局限性、增材制造技术缺点以及超材料的发展趋势（Mater. Today, 2021, 50, 303-328）。 力学超材料 以功能为导向的结构设计，具有成本效益高、省时等优点，拥有较大的发展潜力。通过为给定单元和给定区域构造边界条件与优化目标，可拓扑设计出新型功能结构。团队提出了通过均匀化应变拓扑设计最大体模量力学微结构方法，并利用激光选区熔化（SLM）成功制备。通过准静态压缩试验，研究了拓扑优化超材料的力学性能和能量吸收能力。结果表明，随着晶格微结构单元数的增加，结构破坏机制从逐层断裂转变为45°倾斜断裂。拓扑优化的晶格结构的相对弹性模量为0.037，优于大多数已报道的晶格结构，设计的晶格结构在0.15应变下能量吸收效率达67.9%（J. Manuf. Process., 2020, 56: 1166–1177）。 基于晶格的力学超材料灵感来自原子的堆积和竹子的中空特征。（A） 晶格原子的微观形态；（B-C）竹子的宏观和微观形态特征；（D）仿生八重桁架力学超材料即便拥有先进的拓扑优化设计技术，当前的力学超材料性能仍远远落后于许多生物结构。受中空结构的强韧性竹子启发，通过SLM成形基于八重桁架力学超材料。在数值模拟的指导下，通过内外直径来实现仿生力学超材料轻量化，在低密度（1.25 g/cm3）下获得高压缩比强度（87.19 kN•m/kg），且不会在八重桁架结构配置中失去各向同性（di =0.59 mm，do=1.10 mm）。研究成果提供了一种仿生设计策略，实现具有各向同性及轻质高强力学的超材料设计与制备（Appl. Mater. Today, 2022, 26, 101268）。 声学超材料 吸声超材料在低频噪声吸收领域有着重要意义，传统吸声材料被制备后，其结构也随之固定，无法根据外界噪声频率变化做出相应吸收能力的调整。团队基于声音频率共振消声原理，通过设计迷宫式结构，采用FDM成形了吸声性能可调的低频吸声超材料，根据外接声波频率变化而动态调整结构，实现不同频率噪声的吸收，吸声频率在298-379 Hz宽频范围内可调（Chin. J. Mech. Eng.: Addit. Manuf. Front., 2022, 100036）。 五模超材料类流体声学性能结果。（A）块体钛合金声场云图；（B）五模超材料声场云图；（C）实验装置示意图；（D）总散射界面，定义为各方向散射功率与平面波入射功率的比值 材料是由周期性单胞组成的复杂结构，具有水或流体等有效物理性质，可有效调控水下声波的传输路径。团队研究了模拟流体的结构设计、五模超材料的形态特征、有限元法预测的应力分布、力学性能和变形机理；提出了一种两步优化策略设计五模超材料，建立了水下声波频散设计方法，研究成果在中船重工实现了原理验证（Engineering, 2020, 6, 56-67; Compos. Struct., 2019, 226, 111199）。热学超材料轻质高强兼具散热吸能超材料在航空航天和汽车应用中具有重要意义。团队受柚皮对果肉屏蔽保护的启发，提出了柚皮微结构仿生多面体超材料设计方法，实现了优异的散热和吸能效果。 图4受柚皮图形启发的多面体晶格结构的形态演变：（A）自然界中的柚子；（B）柚皮的形态；（C）受柚皮图形启发的多面体单元；（D）具有各种横截面形状的设计支柱 在实验和数值模拟的指导下，具有圆形支柱的超材料在Re=7000–30000时具有最高的努塞尔数、最低的压降和摩擦系数，表现出更高的散热指数；在0.92孔隙率下，热效率系数超过1，表现出较强的隔热能力。此外，具有圆形支柱的仿生多面体结构的比能量吸收超越传统点阵结构，在燃气轮机和冷却结构上有着重要应用前景（Adv. Mater. Technol. 2022, 2200076）。 生物超材料 孔隙率、模量、骨组织再生、应力屏蔽是骨支架设计中重点考虑的约束条件，团队提出了一种双锥支柱设计策略，减少类金刚石多孔金属生物材料的应力屏蔽，同时保持不变的孔隙率。设计的生物超材料骨支架的弹性模量和屈服强度，与传统金刚石晶格相比分别低41.46%和46.42%，有利于骨支架力学性能与宿主骨匹配，避免了应力屏蔽（Int. J. Mech. Sci., 2021, 197, 106331）。海胆棘及其仿生生物超材料支架的拓扑形态：海胆棘的针状外观和梯度孔隙的内部结构。 （A）光学图像显示了海胆脊椎的自然特征； （B）微观计算机断层扫描（CT）图像在水平视图和纵向视图中显示内部分级孔隙度； （C）SEM图像在（c1-c2）剖面图中显示了精细的内部形态； （D）植入物内多孔支架位置示意图； （E）仿生梯度生物五模超材料支架； （F）…

在2022年古德伍德速度节上，奔驰带来了三款重磅车型，其中有一款体现梅赛德斯-奔驰对能效未来愿景的VISION EQXX概念车。它在2022年6月的一次真实道路续航实验中，实现了1次充电续航1202公里，平均百公里电耗8.3kWh的记录。这款车型引起汽车行业广泛关注，3D打印技术参考注意到，VISION EQXX大量使用了轻量化的技术和材料。 VISION EQXX的3D打印零件分布 EQXX展示了奔驰即将问世的下一代电动车的发展方向及全新的造车思路，尤其是长续航表现方面：不是通过装载越来越大的电池组实现长续航目标，因为电池越大，车越重，由此带来的是车辆的行驶效率下降。 3D打印砂模制造大尺寸一体化铸件 受到自然形态的启发，并与创新初创企业合作，工程师使用先进的数字工具通过3D打印制造去除多余材料来减轻重量并减少浪费。VISION EQXX的整个后副车架将70多个部件整合为一个单一的、仿生、优化结构铝铸件。据3D打印技术参考了解，此前特斯拉采用一体化压铸技术引领了汽车的生产制造变革。 VISION EQXX由70多个部件整合的巨大铝铸件 为了生产梅赛德斯有史以来最大的铝铸件，该公司使用了一个巨大的3D打印砂模，该砂模据称使用了公司内部的voxeljet粘结剂喷射3D打印机制造。其他部件如悬挂支架，也是由3D打印模具铸造而成。 该整体化的后副车架由奔驰内部开发，使用了完全数字化的技术和软件方法，在汽车行业中是完全独特的，结果是在可用的紧凑空间内实现了最佳功能，并在短短四个月内完成了这一单体大尺寸零件铸造。 开发工程师从有机结构中获得线索，仅在功能所需的地方，即施加载荷位置使用材料。根据自然规律，没有负载的地方就不需要材料。 VISION EQXX巨大铝铸件整体展示 最重要的结构标准是具备极高的刚度和出色的碰撞性能，一体式铸件的优点在于将功能集成在一个极其轻量化的单个组件中，而不是将多个零件组装在一起。 ‍VISION EQXX借助3D打印技术制造的零件 除了后副车架铸件外，VISION EQXX中的另一个一体式铸件是减震器圆顶，它是容纳汽车前部的悬架组件。与后副车架铸件一样，该零件也有助于将重量保持在最低限度，与传统的压制圆顶相比减轻了约4公斤。 根据自然原理设计的结构铸件，也被梅赛德斯-奔驰注册为BIONICAST商标。 将创新成果转移到现有生产车型 如此大尺寸的一体化铸件并不是唯一使用3D打印创建的部件。其他如挡风玻璃刮水器电机的支架也进行了重量优化，直接金属3D打印将其从2公斤减轻到200克，该零件也采用仿生工程原理设计。 VISION EQXX的挡风玻璃刮水器支架采用仿生工程原理设计 VISION EQXX的挡风玻璃刮水器支架‍‍ 这项开创性技术被证明在将重量保持在最低限度且在严格的尺寸限制内最大限度地提高功能方面非常宝贵。目前，它已被转移到梅赛德斯-奔驰的生产车型上，如新EQS中的底盘部件已经过修改，通过增加刚度来减轻重量。 戴姆勒股份公司和梅赛德斯-奔驰股份公司管理委员会成员、负责开发和采购的首席技术官表示，“VISION EQXX背后的技术计划将定义和支持未来的梅赛德斯-奔驰车型和功能，VISION EQXX将梅赛德斯-奔驰牢牢确立为在汽车世界及其他领域将奢华与技术相结合的品牌，我们开发它的方式与车辆本身一样具有革命性。”   VISION EQXX使用传统技术制造的零件，实心金属又大又笨重 VISION EQXX的内饰部件部分采用回收塑料3D打印制造在汽车内饰方面，VISION EQXX广泛使用回收塑料，如用于闪光纺织品的回收PET瓶，梅赛德斯-奔驰使用这些材料3D打印了后底板铸件的42个开口贴片，经过形状优化设计的贴片具有极高的刚度和良好的隔音质量。与传统生产的部件相比，这种创新的工程方法有可能实现15%到20%的重量减轻。它标志着轻量化设计的一个里程碑，满足严格的梅赛德斯-奔驰的质量要求。此外，新车在车身外壳的仿生结构和头枕等内部结构中也都采用了回收塑料。 END VISION EQXX是一项正在进行的计划的成果之一，该计划正在为汽车工程的未来提供蓝图。它的许多功能和开发已经集成到生产中，包括下一代用于紧凑型和中型汽车的梅赛德斯-奔驰模块化架构。计算机软件和增材制造技术的创新将允许开发更轻的产品、零件和结构。工程师可以通过使用专门的软件来确定可以最有效地减轻重量的区域，从而对一系列组件实现最大的优化。然后，数字化3D模型可以测试轻质部件的性能，以确定最佳设计选项。仿生设计和仿生学可能代表着轻量化设计的未来。通过将不断寻求技术和科学创新与对自然的更深入了解相结合，制造商和行业将继续开发更轻、更强大的组件。 该项目在短短18个月内就从白皮书变成了一辆整车。它吸引了来自世界各地的各种初创企业、合作伙伴和机构的人才，组成了一个跨职能、多学科的团队。在互相争论中，应用最新的技术和思维来开发先进的、高效的解决方案，在不久的将来将发挥重要潜力。 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请依据转载须知。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.上百家3D打印企业！9月14-16日Formnext展览会解锁增材智造新技能！ 2.历时三年，宝马集团IDAM金属3D打印推进计划成功实施 3.宝马领投弹性体高通量增材制造工艺，在汽车领域具有巨大应用前景 4.宝马故事：还在专注锻造？不，它早已将3D打印规模化应用在日常生产中

7月24日14时22分，中国文昌航天发射场，长征五号B运载火箭托举当今世界最大单体载人航天器中国空间站问天实验舱点火起飞，并成功进入预定轨道；北京时间7月25日3时13分，问天实验舱成功对接于天和核心舱前向端口。按任务计划，神舟十四号航天员乘组随后将进入问天实验舱。3D打印技术参考介绍本次发射过程及问天舱及空间站其他系统3D打印技术的应用。 ‍ 问天实验舱热控分系统使用3D打印技术 航天器在轨时，没有了大气层的保护，在太阳照射的情况下，表面温度可达100℃以上，而没有阳光时温度则到零下100℃以下。 作为我国尺寸最大的航天器，问天实验舱在极冷极热的太空环境中，航天员和舱内的各种设备一直处于20多摄氏度的舒适环境中，这得益于航天科技集团五院空间站问天实验舱热控团队研制的热控分系统。 （来自：火星学会MarsSociety） 为避免问天实验舱成为大烤箱，热控团队研制了一套目前国内最大的“太空空调”系统，为问天实验舱提供了一个舒适的温度环境。这套“太空空调”系统包括量身定制的太空外衣、密闭隔舱内的风冷系统和遍布整舱的液冷系统。 据航天科技集团五院问天实验舱流体回路负责人王德伟介绍，团队为问天实验舱研制了3套液冷系统，将各种设备或实验载荷产生的热量收集并辐射到外太空，可支持数千瓦级以上的实验载荷的散热。其中一套是专门为舱外实验载荷进行温度保障的散热回路，首次研制了四通阀技术，解决了舱外实验载荷安装状态与否对回路系统的影响，在重量上优于国际空间站使用的多阀门调控技术。同时，研制人员开发了大尺寸、高效界面导热材料，兼顾了舱外载荷维修和导热的双重目的。 “梦天”、“问天”实验舱——分别用于生物、材料、微重力流体、基础物理等方面的科学实验（来自：火星学会MarsSociety） 在“太空空调”的研制中，为满足部分特殊设备的温度控制要求，航天科技集团五院问天实验舱热控研制团队还使用了部分黑科技，包括在密闭隔舱内使用的基于3D打印的风冷冷却技术、舱外设备上使用的太阳反射率超过90%的白色外衣、石墨烯导热索技术等。 “太空堡垒”的设计密码之一：轻量化的结构+轻量化的材料+3D打印 空间站的结构与机构分系统犹如“太空堡垒”，让生命得以在太空中存续。为了让“太空之家”结实、坚固、耐用，航天科技集团五院空间站结构与机构分系统研制团队解锁了轻量化、密封性、长寿命、高可靠性、智能化的五重“设计密码”，为空间站保驾护航。其中，轻量化是对3D打印技术的重要应用。 “天和”核心舱——未来空间站的指挥控制中心，航天员生活的主要场所（来自：火星学会MarsSociety） 研究团队指出，结构轻量化设计是空间站结构研制过程中始终坚持的设计思想，设计团队从结构参数优化、拓扑优化、轻型材料应用、3D打印工艺、多功能结构等多个方面开展减重工作。从直径4米的框体、壁板蒙皮、各类尺寸的支架，到蜂窝板里的一个金属埋件，对每一个零件进行减重设计，并提出了结构加工过程中的重量控制方法，将舱体结构成功瘦身，为其它设备和载荷提供了更多的搭载机会。 梦天实验舱段结构图 蒙皮点阵结构也已经成熟用于航天器结构产品。3D打印技术参考还于北京空间飞行器总体设计部在《机械工程学报》发表的一篇论文了解到，航天五院设计的一种封闭蒙皮包裹三维点阵层级结构的设备支撑结构，比采用传统设计及制造方法的结构减重46.4%，实物已应用于某型号卫星载荷支撑任务。封闭蒙皮包裹三维点阵的结构形式可以有效提高支架类结构的设计效率，在航天器结构轻量化方面具有推广应用前景。 3D打印技术参考注意到，梦天实验舱已于近日完成正样热试验 增材后处理工艺创新转型，卓越目标不变 西安航天发动机有限公司为此次发射提供了4组8台120吨液氧煤油发动机作为助推动力。其中也有增材制造相关技术的采用。 该公司增材制造创新中心磨粒流加工工艺的应用，使一级泵叶轮铸件流道表面粗糙度降低2倍以上，有效提升了铸件的防锈能力，使涡轮泵的性能更加稳定，发动机零部件交付质量也再上新台阶。增材制造创新中心陈振宇表示，“此次工艺转化，可以说是锦上添花，正是我们追求卓越的体现。” END 航空航天是当今世界科技强国竞相发展的重点方向之一，其发展离不开兼具轻量化、难加工、高性能等特征的金属构件。增材制造技术为高性能金属构件的设计与制造开辟了新的工艺途径，可解决航空航天等领域发展过程中对材料、结构、工艺、性能及应用等提出的新挑战。 与此同时，轻量化的材料+创新型的设计+3D打印，这种新模式为减重进一步释放了空间。材料和结构协同制造，使满足更高要求成为可能，这种模式的使用也罕见的被航天单位所报道。   本文所述3D打印技术的应用来源于航天五院总体部及西安航天发动机有限公司已公开内容。 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请依据转载须知。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.上百家3D打印企业！9月14-16日Formnext展览会解锁增材智造新技能！ 2.考虑工艺约束的3D打印自支撑晶格用于中国新型超轻航天器结构 3.超大装备 | 国内8家多激光、米级SLM金属3D打印机汇总 4.轻量化的材料+创新型的设计+3D打印，新模式为减重释放空间

随形水路是一种基于3D打印技术应用的新型模具冷却水路，在完美利用了3D打印的制造自由度后，使水路更贴合零件表面，有效提升模具在注塑生产中的冷却效率和耐用次数。另一方面，随形水路模具（芯）能够使注塑冷却效果获得大幅度优化，被证明能有效提高注塑零件质量。 由于随形水路模具的优异性、技术壁垒能协助企业有效赢得市场，模具制造企业看到了新的商业机会。 充分利用随形冷却水路模具便可获得更多的市场机会，走在工业模具制造前沿，但在使用这项技术之前，需要提前解决一下未来的挑战。 痛 点 ➠随形水路模具制造需要从设计、打印工艺和后处理等多个方面考虑，从零设计复杂耗时； ➠手动设计需要详实的专业知识，既要使用与应用适配的独特打印工艺，又要考虑增减材复合制造流程； ➠水路存在于零件内部，但水路的下表面往往不适合添加支撑，需要灵活设置不同的扫描方式； ➠如采用嫁接基座的方式，在数据准备过程中需要考虑基座的多重情况； ➠如采用直接打印，则需要更好地降本增效... ... 能否有一招制胜的方法来冲破这重重关卡呢？3DXpert软件提供完善的随形水路解决方案，一键自动创建客制化的随形水路，在市面上绝大多数仍采用手动设计的水路设计工具中突出重围，它可以缩短高达70%的模具注塑成型周期，减少50%的生产工作时间，减少翘曲和报废概率，大幅度提升成型零件表面质量，真正帮助企业提升生产效益。 扫码试用！ 不同的水路设计© Oqton 什么是3DXpert？ 3DXpert增材制造数据处理软件，提供针对增材制造的设计优化、数据处理和工艺编程功能，支持从设计到后期处理的的的增材制造流程。 3DXpert 中文版为增材制造工程师提供强大、全面、方便、高性价比的工艺工具套件，快速有效地将3D模型编辑为可成功打印的部件。 无论在科研教学、还是批量生产的制造场景下，3DXpert都能协助用户将3D打印技术的潜力发挥到极致、提前部署智能制造的未来。 3DXpert随形水路解决方案打通了水路的整个设计、生产流程，使用户可以在一个软件中通过多样化的功能和工具，进行自定义的设置和简便的操作，短短数分钟内即可实现自动创建水路。 3DXpert助力随形水路设计 1 3DXpert 手动画图快速绘制水路 ●用户可进行手动创建或者调整偏置位置、并生成相应的弧度。 ●用户还可使用水路分析工具进行悬垂面分析、距离分析和冷却距离分析，保证水路适合打印和注塑使用。 ●为了提高水路冷却效率，软件还支持手动截取部分水路生成扭转水路。 ●针对常规形状，自动设计水路的功能可以帮助设计人员快速获得水路形状，并基于此进行相应的微调，加速水路设计。 ●针对特殊水路设计的需求，软件还提供了限制水路生成区域和自定义水路截面的功能，以此符合特别的水路合计需求。   © Oqton 随形水路绘制 © Oqton 2 自由的水路打印工艺设置  ●用户可以针对水路下表面、或需要添加支撑但实际打印中不适合添加的支撑面，设置额外扫描区域，并在扫描策略设置的过程中为其设置适合的工艺。   ●可以对模芯部件设置不同分区，并对分区设置不同的扫描策略。 ●针对不同Z轴高度，可使用不同的层厚和打印功率，对曲面较少的部分使用较大层厚加快打印速度。针对需要更高强度的部分，可以通过设置虚拟体，对相应部分设置更精细的扫描方式、保证强度需求。   随形水路绘制 © Oqton 3 模具基座设置   ●嫁接模具打印需要基座，并且使用的基板和普通打印不同。嫁接打印的基板一般会有多个孔洞，用于固定基座。 ●基座一般会包含提前进行机加工的底部，这些部分一般不包含弯曲的水路，使用机加工较为容易也更便宜。 ●另一类复合制造使用基座的原因是为了更方便进行后处理，基座不仅会作为模具打印的基底，也可直接用于机加工设备的固定基座。   © Oqton 接下来我们来看如何使用3DXpert，快速完成随形水路设计。 3DXpert设计随形水路具体步骤 1 3DXpert 手动画图快速绘制水路 ●3DXpert 能直接读取CAD模型，并直接利用CAD模型线段、曲面等特征上进行水路快速绘制。 ●如演示，无需更换到其他的CAD模型，使用3DXpert 软件、选取数模上的线段，进行一定偏移后，即快速生成水路的扫掠路径。 ●如果在数模上选取不到连续曲线， 甚至能直接进行曲线自动（以运算曲率、或指定曲率）进行线段间连接。 ●完成扫掠路径绘制后，直接利用3DXpert 的水路设计功能设置截面形状、尺寸（或截面面积以控制水流速率） 2 水路打印性分析 ●由于已知水路将以3D打印的形式进行制作，最优的方式显然是在设计时，就进行打印性分析，以便即时对水路设计进行修改。 ●如演示，过于“平”的水路设计在实际中非常难以打印，受重力影响，悬垂结构在3D打印中非常容易发生塌陷，因此越长的悬垂结构、往往约需要工艺工程师进行细致的工艺、乃至设计调整。3DXpert 的打印性分析与设计功能实时联动，变更截面形状即能快速解决悬垂结构风险。 ●另一方面，及时进行距离分析也非常重要。有时水路会距离其他重要部件距离过短，容易造成工艺瑕疵。在3DXpert中，我们可以通过设置不同等级的安全分析参数，快速、实时进行检测。 ●结合“一键规避”设计优化，十分迅速完成打印成功率有保障的随形水路设计。 3 3DXpert 自动生成水路 ●除了草图绘制水路，3DXpert 提供了更高自动化的“自动生成水路算法”。 ●首先通过框选、点选数模曲面或线，快速指定水路生成区域。…

重点：仿生结构可有效提高材料的机械性能，但难以在金属系统中构建。 材料的强度和断裂韧性是保障构件安全服役至关重要的性能参数，但二者往往表现为相互制约关系，并且材料性能的持续优化也压缩了既有强韧化策略进一步发挥作用的空间。天然生物材料具有复杂巧妙的组织结构和优异的力学性能，可为材料强韧化设计提供重要启示。然而，在金属材料体系中设计构筑仿生结构面临两方面挑战：传统的制造加工方法（如熔炼、轧制、热处理等）很难在多级尺度上对金属材料的组织结构进行有效控制和精细调节；金属仿生材料的结构与性能之间关系尚不清晰，仿生材料结构的优化设计缺乏理论依据，更难以实现按需设计。   仿生Mg-Ti复合材料结构演示 近日，金属研究所在前期研制高阻尼镁基仿生材料的基础上，通过模仿典型天然生物材料的微观三维互穿结构与空间构型，利用“3D打印+熔体浸渗”工艺制备了一系列新型镁-钛仿生材料，在金属体系中成功构筑了类似鲍鱼壳的“砖-泥”结构、螳螂虾壳的螺旋编织结构和紫石房蛤壳的交叉叠片结构（如图1所示），并在经典层合理论基础上建立了能够定量描述仿生材料结构与力学性能之间关系的力学模型，实现了其模量与强度的定量预测。研究成果发表在Nature Communications 13 (2022) 3247。 图1：具有不同仿生结构的镁-钛复合材料及其与天然生物材料原型的比较 研究发现：在镁-钛复合材料体系中，仿生结构能够起到显著的强韧化作用，与组成相似但不具有仿生结构的复合材料相比，仿生材料的强度与韧性同步提高，其断裂能提升2-8倍，特别是交叉叠片结构因具有多级结构特征而表现出最佳的强韧化效果； 仿生材料中镁、钛两相在三维空间相互贯穿，有利于促进它们之间的应力传递，并抑制各自相中的变形与损伤演化，减轻应变局域化程度，从而延缓仿生材料整体发生断裂，提高其拉伸强度与塑性； 图2：仿生Mg-Ti复合材料的开裂形态和增韧机制 微观取向不断变化的特定空间构型能够诱导裂纹沿仿生结构发生偏转，增大裂纹面的面积，并且凹凸不平的裂纹面之间能够产生摩擦并形成桥连，有助于消耗外加机械能，实现高效增韧； 不同类型的仿生结构均可通过提取结构中的最小重复单元，并考察其在三维空间的紧密堆积形式进行定量描述，进而将经典层合理论发展应用于仿生结构，能够建立仿生材料的结构与力学性能之间的定量关系，从而为预测仿生材料的性能以及优化设计仿生结构提供理论依据，如图3所示。 图3：具有不同仿生结构的镁-钛复合材料中的裂纹扩展形貌、结构模型及其强度和模量与特征角度之间的定量关系 仿生镁钛复合材料可能具有结构和生物医学应用的潜力。仿生结构的显著强化和增韧效率可进一步用于开发新的仿生金属材料。目前的理论分析和处理路线可以为更精确和更有效的方式设计和构建架构提供手段。 相关工作由金属研究所材料使役行为研究部与轻质高强材料研究部以及加州大学伯克利分校的研究人员合作完成。博士研究生张明阳为文章第一作者，刘增乾研究员、张哲峰研究员和Robert O. Ritchie教授为共同通讯作者。相关工作得到了国家重点研发专项、王宽诚率先人才计划“卢嘉锡国际团队”及国家自然科学基金（51871216、52173269）项目资助。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.上百家3D打印企业！9月14-16日Formnext展览会解锁增材智造新技能！ 2.装备：实现新型仿生/梯度结构设计，催生新概念武器装备 3.清华智造大讲堂：史玉升教授——从3D打印到4D打印 4.史玉升教授：4D打印智能构件的增材制造技术及应用领域

点阵结构具有非常多的优点及应用场景，但其创建过程并不容易。近年来，随着3D打印技术的发展，点阵结构正在被航空航天、汽车、消费品等很多领域使用。 首先，点阵结构可以优化强度—重量比，将非关键区域的材料网格化，虽然整体的强度会有所降低，但不失为一种提高强度重量比的好方法，同时，点阵可以将外部载荷均匀分解，在实现减重的同时保证承载能力。 其次，点阵结构不仅重量轻，还具有超大的比表面积，这对于促进热交换和化学反应具有很大优势。独特的晶格结构显著增加了表面积，从而能够以更经济的方式实现更高的换热效率。事实上，这种效率增益可以在许多不同类型的热交换器应用中实现，这些具有大表面积的小特征结构在没有3D打印的情况下几乎是无法制造的。 第三，点阵结构可以通过更好地吸收冲击能量起到防护功能，基于此可以制造防护体育器材，也可以在在电子元件周围或内部使用晶格来保护免受外部动态环境的影响。 除此之外，点阵还具有理想的吸振和降噪功能。飞机、火箭在推进过程中产生的振动会使飞行器发送颠簸，也会增加对部件的磨损；高铁在运行时车体外的湍流边界层也会产生强烈的随机声学激励和振动，同时有巨大的气流冲击车身；此外，解决潜艇的结构振动和确保低躁隐蔽性，也是力学和声学领域具有重大意义的课题之一。点阵结构作为一种典型的周期结构，通过对具有频率禁带的点阵进行周期型设计，以调节其频率禁带的宽度、深度和频段位置，可以实现对结构的振动和噪声的有效控制，同时还能减少附加质量以及外界能源的供给。 一系列无源散热器晶格（来源：nTopology） 点阵胞元结构的形式众多，它们是点阵中的基本单元，常见的胞元结构有立方体、星形、八角形、六边形、菱形和四面体等。点阵胞元结构可以调整甚至混合使用以获得部件所需的效果，选择不同的结构会产生不同的效果，因此，为获得所需要的结构往往离不开仿真。同时，点阵结构的可以创建非常复杂的高级结构。 不同单元生成的点阵结构（来源：nTopology） 点阵结构的建立也需要具有专门的技术，因此还诞生了获得数亿美元融资的公司，如nTopology衍生式设计平台。该公司近日推出了其第三代点阵技术，使用户能够方便快捷地使用和更好的控制高级点阵的生成。 为了实现这一点，nTopology将点阵生成过程分为三个基本步骤：选择单元格、定义单元格和控制参数。通过掌握这些简单的步骤，用户可以更快、更直观的学习如何应用更高级的点阵。 △左右滑动查看更多，nTopology设计的高级点阵结构 新点阵技术的一个优点是显著提高了性能，特别是对于具有非常多单元数的晶格。例如，具有超过50000个单元格的点阵过去需要45-60秒（已经很快）才能生成，而现在只需1-2秒即可重建，这标志着性能提高了50倍。 新的晶格技术还配备了多项新功能，可进一步简化晶格设计和优化过程。新的变形工具允许用户应用场驱动设计技术来控制晶格单元，就像可以控制其厚度一样。将此功能与实时可视化相结合，使用户能够精确调整复杂形状并设计高级点阵结构。 注：本文内容来由3D打印技术参考整理编辑，转载请依据转载须知。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.上百家3D打印企业！9月14-16日Formnext展览会解锁增材智造新技能！ 2.3D打印点阵结构：材料疲劳容限设计与制造的力学性能综述 3.增材制造：拓扑优化与梯度点阵结构提升零部件附加值 4.中科院研究：晶格结构的性能差异，材料、3D打印与传统加工工艺

在先进工程设计中，拓扑优化和点阵结构经常会被同时考虑。近年来，以nTopology为代表的场驱动设计概念使工程师能够实现更高的设计自由度。然而，如何正确使用各种场驱动设计方法却尚无定论。 基于面的点阵结构（如gyroids和其他TPMS结构）具有较高的比刚度，且非常适合增材制造工艺。此外，点阵结构还具有许多其他的性能优势，如较高的换热系数、较好的减震性能和易于控制的刚度。 利用点阵结构的这些优势，我们可以设计出比传统拓扑优化更优的部件。由于目前还没有太多文献清晰并定量地描述点阵结构的功能优势，本文介绍了一种优化点阵结构刚度的方法。 拓扑优化和点阵结构相结合的设计可以使零部件具有更高附加值。在本文中，雅马哈电机的研发工程师长本弘治介绍了如何有效地使用这两种先进的工程设计技术，并通过展示一些简单的例子阐述在实际设计和制造过程中应考虑的因素。 点阵结构分析工具 随着增材制造领域中3D打印技术的快速发展，增材点阵结构在航天航空、船舶、汽车、体育和医疗等行业得到了广泛应用，点阵结构作为一种新型的结构设计，除轻量化特点外，同时还具有优良的比刚度/强度、阻尼减震、缓冲吸能、吸声降噪以及隔热隔磁等功能性特点。 点阵结构及其应用 由于点阵含有大量复杂的微观结构，包括胞元类型和几何尺寸等参数，导致仿真计算工作量巨大，传统有限元分析已经无法适用。因此，经过多年的仿真计算积累和努力探索，安世亚太自主开发了一款专业用于增材点阵结构仿真分析的软件，即Lattice Simulation。 Lattice Simulation是一款用于增材点阵结构分析的工具，具有用户自定义和内置点阵结构设计两种方式，已集成在ANSYS add-in扩展工具中。基于多尺度算法，用户可以采用等效均质化技术对点阵结构进行有限元分析。并且提取非均质化点阵结构的等效材料参数，在均质化等效实体模型宏观力学分析后，可以通过局部分析对胞元结构进行详细的应力校核。 Lattice Simulation仿真分析流程 Lattice Simulation提供增材点阵结构在有限元仿真中涉及的相关分析功能： 均质化分析：基于胞元结构类型及在空间上的周期排列特性，进行均质化计算，提取等效实体的材料力学特性。 宏观分析：采用均质化分析得到的等效材料数据，并对等效实体点阵结构进行力学分析，校核点阵结构刚度性能。 细观校核：考虑胞元外部边界条件（采用应变加载），对其进行详细的应力分析，校核点阵胞元结构强度性能。 Lattice Simulation典型案例 （1）某点阵结构支架仿真分析 （2）某点阵轻量化结构分析 （3）某压力容器优化设计 案例演示-梁的优化 我们通过一个简单案例来展示nTop设计工具的功能优势。假设有一根载荷均匀分布、两端固定的铁梁。 1、拓扑优化 首先，基于变密度方法进行拓扑优化。设置相对密度阈值为ρ = 0.5并输出形状。然后使用 nTopology 中的Smooth Body模块块进行。此时零件体积为3990 mm^3 接下来，我们通过静力学分析确认拓扑优化形状的刚度。我们使用与拓扑优化步骤相同的负载和边界条件设置参数。承载方向的最大位移为 2.152e-2 mm。 2、基于拓扑优化的功能梯度点阵结构 最后，我们将拓扑优化结果与功能梯度点阵结构的刚度进行比较。 在检查点阵结构时，我们采用了“壳和填充（shell and infill）”方法。该结构由外壳和内部点阵结构组成。这是一种仿生学设计，类似于骨骼结构，以提高刚度。 下图显示了一种典型的结构。在这个案例中，拓扑优化阈值设置为 0.4，外壳厚度设置为 t = 0.6 mm。我们使用gyroid单胞，大小为3mm。 gyroid单胞的厚度由拓扑优化的中间密度控制（使用nTopology 中的Ramp模块），在承载较高的部分，厚度逐渐从0.25mm增加到1.57mm。最终的体积几乎与传统拓扑优化获得的体积相同。 结构的刚度分析结果表面，承载方向的最大位移为 2.008e-2mm。通过对比传统拓扑优化的结果，我们可以看到刚度提高了约7%。 设计考虑因素 下面是一些实际应用中的设计和制造考虑因素，可以帮助我们扩展这个简单的结构模型，并将其用于其他案例中。 1、自动参数优化 点阵结构的刚度性能取决于许多设计参数：拓扑优化密度阈值、选定的点阵单胞、细胞大小、杆的直径、外壳厚度。 参数优化的作用是找到它们的最佳组合。nTopology具有command-line接口 （nTopCL），可以与modeFrontier等工具连接来执行优化计算。 2、模拟结果与实际产品的偏差 模拟结果表明，点阵结构具有优越的比刚度。然而在现实中可能会出现一些偏差，导致制造零件的刚度不同于分析的结果。这种差异主要是由增材制造过程中的内部缺陷引起的。 这种偏差在基于面的点阵结构（如gyroids和其他TPMS结构）中尤为明显。研究表明，SLM方法制造的测试件的实际刚度约为分析结果的30%至56%。 因此，有必要修改设计，以处理制造偏差问题，以确保实际产品的刚度。一般采取的措施是通过提高相对密度，以及更严格的质量控制减少制造过程中的缺陷。 3、拓扑优化是否是最正确的工具？ 关于计算方法，一些研究人员指出虽然基于变密度方法的拓扑优化提供了较为合理的结构形式，但从数学上讲，它并不严格正确。随着先进的工程设计工具和增材技术的发展，现在可以设计和制造密度介于0到1之间的区域密度。因此，可能需要基于同质化方法的拓扑优化算法，从而获得真正最佳的解决方案。 nTopology隐式建模公开课 本文通过一个简单的示例表明，我们可以将拓扑优化和点阵结构相结合，创建具有更好刚度性能的结构模型。 因为基于面的点阵结构具有较高的比刚度，同时可以体现中间密度单元的可重复性，所以我们可以创建一个比变密度拓扑优化方法更好的结构。预计在不久的将来，上述DfAM技术将用于在各行业，设计出更多的创新产品。 这主要归因于设计工具的发展，比如nTopology，工程师可以快速设计出这种复杂的点阵结构。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.考虑工艺约束的3D打印自支撑晶格用于中国新型超轻航天器结构 2.增材制造研究机构鲁汶大学使用集成化的3DXpert来减少对其他软件的依赖 3.中科院研究：晶格结构的性能差异，材料、3D打印与传统加工工艺 4.3D打印点阵结构：材料疲劳容限设计与制造的力学性能综述

近日，传热专家Conflux Technology宣布推出其首款热交换器3D打印产品——一款优质、可扩展、可配置、超高性能的水增压空气冷却器，其性能相比传统产品大大领先，适用于赛车运动和高端汽车市场。Conflux针对特定客户的要求进行配置，并以性能、有竞争力的价格和快速交付为突出特色。 建立在Conflux 先前的热交换器研发的基础上，其水增压空气冷却器旨在冷却进入用于增压某些汽车发动机的涡轮增压器的空气。据称，利用3D打印技术，该公司不仅能够优化设备的重量和性能，还能够扩展其尺寸，使其能够融入高端汽车制造商的现有设计。 与领先的微管相比，Conflux 的水增压空气冷却器的核心体积减少 15%，空气侧压降减少24%，冷却剂压降减少82%，湿重减少39%，干重减少31%。 传统制造无法实现的复杂几何形状和微观特征推动了3D打印热交换器的发展，翅片和薄壁设计可适应整个热交换器中不断变化的流体动力学。通过在通道内添加或减少翅片和混合结构来改变表面积密度可以微调性能，并且由于向热交换器供应流体的管道是圆形的，因此环形设计确保整个交换器的流动均匀。同时，通过优化流体分布和流动的整体设计增强了堆芯内部的高表面积与质量比，每单位重量或体积提供更多的热交换。 更薄、更精简、高性能 热交换器的性能随着壁的变薄而提高。薄壁允许在不增加阻塞的情况下增加表面积，或者在不增加压降的情况下保持表面积并减小零件尺寸。薄壁也意味着较低的零件质量，这是许多客户的关键考虑因素。激光粉末床熔融技术可以制造厚度不到1mm的薄壁结构，使热交换器的性能提高成为可能。 环形设计的复杂几何形状给仿真带来了沉重负担，在软件性能和计算能力方面造成了另一个瓶颈。考虑到SLM技术制造零件的表面粗糙度，工程师需要准确预测结果，特别是给定几何形状的压降。表面粗糙度通常通过增加混合和表面积来提高传热性能。然而，在小的特征距离处，它会增加压降。3D打印技术参考也曾介绍过当前该技术制造零件所存在的固有缺陷将对热交换器的性能产生影响。 工程师通过从其他热交换器的测试中建立一个大型相关数据库来实现预测的准确性，然后将这些数据带回模拟以查找结果之间的差异。这种方法能够模拟优化基本核心设计，并确保与实际结果密切相关。 环形热交换器制造成功的关键 3D打印技术参考了解到，环形热交换器制造成功的关键还在于创建可靠的参数集、3D打印工艺配置，以实现一致的厚度和气密结构。使用SLM技术，粉末残留不可避免，鉴于圆环的复杂几何形状，需要找到一种方法来完全去除，否则残留粉末会阻碍流体流动。 热交换器的性能是通过两个流体通道之间的热传递来衡量的。无论是冷却还是加热流体，出口温度都会量化热交换效率。目标是满足尽可能高的热交换和尽可能低的压降，以最大限度地提高性能。 除了热交换和压降之外，制造最小、最轻的部件在工程中通常非常重要，特别是对于赛车运动和其他要求苛刻的应用。 注：本文内容来由3D打印技术参考整理编辑，转载请依据转载须知。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.上百家3D打印企业！9月14-16日Formnext展览会解锁增材智造新技能！ 2.3D打印复杂结构热交换器并将其一分为二 3.美国家增材创新中心：借助衍生式设计平台能创建出怎样的高级热交换器 4.3D打印的固有制造缺陷使其还无法完全替代热交换器的传统制造技术

液体火箭在工作过程中，会将推进剂燃料通过喷注器推进入燃烧室，通过雾化、混合、燃烧，产生高温高压燃气，将化学能转化为热能，再转化动能，产生推力。燃烧室喉部燃烧温度高达3500℃，内壁温度超过1000℃，任何金属材料在此温度下都已接近熔化，而且材料还要经受腐蚀性高压高速燃气的侵蚀。 为了有效的将热量导出，正常发挥效能，推力室的结构设计和材料选择就非常重要。液氢液氧火箭发动机推力室采用再生冷却式结构，结构由内、外两层壁构成冷却夹套，约有360个冷却槽。发动机工作时，内衬一侧为高温燃气，另一侧为装载液氢液氧的冷却管道，通过液氢液氧降低火箭发动机燃烧室内壁温度保持在熔点以下，以保证材料能正常服役。推进剂组元流经冷却套冷却壁面，自身受热升温后流出冷却套，再经喷注器进入燃烧室，使通过内壁传出的热量又回到燃烧室得以“再生”，故称再生冷却。 推力室再生冷却结构形式多样，随着发动机技术及制造工艺的不断发展，推力室从最早的双层夹壁结构发展到变直径、变厚度的管束式结构以及波纹板钎焊夹壁结构，然后采用锆铜合金铣槽内壁、电铸或钎焊成形的外壁结构，使得推力室推力逐渐增大。 再生冷却推力室 推力室制造工艺经历了由钎焊发展到内壁沟槽结构的数控铣切、外壁电铸镍以及管束式液压填充冲压成形和高温真空钎焊等制造技术，使推力室内壁的冷却效果逐步提高。在工艺选择上，欧洲火神系列低温发动机的推力室采用在铜内衬上铣削冷却通道，然后用电铸工艺覆盖通道，而俄罗斯是用钎焊工艺密封通道。美国和日本除采用整体结构之外还采用管状结构，如冷却结构是由液压形成和捆扎管组成，电铸或钎焊技术覆盖冷却通道用做承受载荷的附加装置，这点与俄罗斯和德国相同。 神州十四号发射 如上文所述，传统的推力室再生冷却结构制造工艺看起来很细致，同时又很复杂。其制造过程动辄数月甚至更长时间，并且容易导致不同部件的质量水平不同。高昂的制造成本以及漫长的等待时间让航天发射对增材制造的关注越发迫切。 2015年，NASA通过3D打印制造了第一台全尺寸的火箭发动机；2017年，私人空间探索公司Aerojet RocketDyne发布SLM制造的RL-10火箭推力室；2018年，航天初创公司Launcher成功发射EOS为其打印的火箭发动机，2022年4月，Launcher 3D打印的E2火箭发动机完成新一阶段测试；2019年2月，欧洲航天局ESA完成了全尺寸3D打印火箭引擎的第一次试运行；此外，NASA在RAMPT的项目支持下，采用激光能量沉积3D打印技术制造了直径1米、高度0.9米的一体化冷却通道推力室。 采用3D打印制造带有复杂冷却流道的推力室，同时满足了对复杂设计、低成本和快速交付的要求。采用多种优化的材料和增材制造技术相结合生产火箭推力室，体现了3D打印的巨大生产优势。它将推力室的制造时间由数月缩短到了几周甚至几天，而且对于制造满布冷却流道的结构更具优势，成本也具备经济性。航天部门无法拒绝它兼具效率和经济性的制造特点，而一系列的测试也将其安全性不断向前推进。 关注视频号了解最新技术应用注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请依据转载须知。欢迎转发主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.上百家3D打印企业！9月14-16日Formnext解锁增材智造新技能！ 2.视频：国家增材院10米超大型铝合金火箭连接环3D打印制造技术 3.美军工商将3D打印用于最新高超声速武器和新型太空发动机关键部件制造 4.为大型、重型3D打印零件自动清粉，国产解决方案比人工省时90%

2013年，麻省理工学院Skylar Tibbits等人首次提出了4D打印的概念，即在3D打印的基础上增加了时间维度，使三维物体的形状、功能等特性能够响应外部刺激而随时间发生变化。顾名思义，微纳4D打印是一种将微纳尺度3D打印技术与智能响应材料结合，用于制备亚毫米直至纳米级的刺激响应动态器件的先进制造技术。从宏观到微观，由于物理尺度的急剧缩小，微纳器件对外部刺激的响应形式、响应程度和灵敏性等都展现出与宏观器件的显著差异，因此这一新兴领域受到了研究人员的广泛关注。华中科技大学熊伟教授课题组面向微纳4D打印领域，从刺激响应类型的角度出发，综述了该领域的最新研究进展，展示了微纳4D打印技术的部分应用，并对该领域的发展进行了总结和展望。 微纳4D打印致动方式 1)磁响应磁响应因具有穿透能力强、驱动距离远和可控性好等优点被广泛应用于微纳机器人的驱动和控制。近年来，随着材料成型和磁场控制技术的进步，利用磁场实现结构形变成为一个新的发展方向。这种磁致形变过程中结构受到外加磁场的非对称磁矩作用，自身产生形状改变，赋予了磁响应器件更多的控制维度，如图1所示。 图1 磁致形变微结构。（a）单向磁场驱动的仿生纤毛微型机器人；（b）预编程的纳米磁性微型机器人在特殊的磁场序列下产生的形状变化 2)溶剂响应 微纳4D打印得到的结构通常工作在液体环境或在液体环境下制备而成，溶剂环境本身会对微结构产生直接影响，近年来也有一些科研人员针对4D打印的微纳结构在不同种类溶剂中所引起的响应进行了研究。由于聚乙二醇链与水分子间的氢键作用，聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）水凝胶展现了水/空气环境下的溶胀/消溶胀特性。2019年华中科技大学邓春三等人基于PEGDA复合水凝胶，通过双层结构的不对称性实现了水环境下仿生含羞草、六叶花瓣微结构的可控形变，如图2所示。 图2 水环境下仿生微结构六叶花瓣和含羞草结构的可控形变 单一溶剂控制微纳结构的形状转换往往会限制其适用范围和功能多样性，而一些丙烯酸酯类聚合物在具有不同Hildebrand溶解度参数的溶剂中可以呈现不同的溶胀响应状态。据此，2019年吉林大学Zhang等人基于双重编程的飞秒激光直写技术设计并制备了在丙酮中溶胀、正己烷中收缩的刺激响应性结构。 3)pH响应pH刺激响应微纳致动在微纳4D打印中具有毫秒级的高响应速度和优异的致动幅度等优点，pH变化诱导结构形变的主要原因是材料中的羧基在酸性溶液中的去离子化或在碱性溶液中的离子化引起了聚合物链静电力，从而实现了体积的膨胀或收缩。 图3 基于可控微关节结构的4D打印仿生微爬行器 2020年，北京大学Huang等人基于飞秒激光直写技术实现了微型笼、微型伞等可重构复合微机械的4D打印。进一步，该课题组提出了模块化微积木组装的4D打印方式，并实现了蜂窝状、卷状和波浪状等复杂三维结构的原位pH响应致动。在原位运动的基础上，该课题组通过对结构关节进行功率密度编码，构建了以尺蠖为原型的仿生微爬行器，实现了二维平面内的爬行运动，如图3所示。4)温度响应温度刺激响应因具有候选材料众多、温度场控制简便等优势而被广泛研究，是目前应用范围最广的一类物理刺激形式。根据响应原理的不同，现有基于温度响应的微纳4D打印的工作可分为以下三类：水凝胶相变、液晶相变和材料热膨胀形变。 图4 温度响应微结构。（a）水凝胶致动器折叠和展开；（b）液晶弹性体的双臂梁旋转；（c）金纳米晶/钛块体材料弯曲变形 水凝胶相变的典型材料是聚异丙烯丙基酰胺（PNIPAM）。在相变临界温度以下时，PNIPAM分子链上的酰胺基与外界水分子存在氢键作用，体系吸水膨胀；在相变临界温度以上时，PNIPAM分子链上的异丙基起主导作用，凝胶表现为疏水性，体积收缩。而液晶弹性体的相变原理不同于水凝胶，提高温度将会使液晶分子由有序的液晶态转化为无序的各向同性态，在液晶指向矢的方向收缩，垂直于指向矢的方向膨胀。材料热膨胀性质的不同也可以诱导温度刺激响应。典型如双层梁结构，加热一对具有不同热膨胀系数的薄层粘接结构可使带状结构弯曲形变，如图4所示。 5)光响应利用光诱导4D打印结构进行致动是近年来一种新兴的控制手段，光响应以其高精度、多参量可调等优势迅速成为微纳4D打印领域的研究热点。光刺激响应通常是利用光束精准激发材料的物化效应来诱导结构致动，常用的有光热效应、光化学效应、光电效应和光学力等。光热效应诱导4D打印结构致动是光响应中一种常见的控制方式。通常研究人员加工出具有交联密度梯度的聚合物结构，然后以激光作为热源精准地加热材料诱导结构致动。在聚合物材料中掺杂碳纳米管、金属纳米颗粒等功能性材料可有效提高光-热转化效率，缩短响应时间，如图5所示。 图5 光响应致动微结构。（a）光热响应致动微结构；（b）掺杂Fe3O4纳米颗粒的水凝胶微致动器近红外光响应 光化学效应也是光响应中一种常见的控制方式，通常被应用于掺杂偶氮苯染料的液晶弹性体材料。通过紫外光辐照，偶氮苯发生反式-顺式的异构化反应，带动液晶分子从有序的液晶态转化为无序的各向同性态，从而引发液晶弹性体发生形变。近年来报道的一些新颖的光响应致动微纳器件，例如由光电效应激发新型的表面电化学致动器，以及由马兰戈尼效应与光热效应联合驱动的透明水凝胶致动器等。上述器件所展示的控制方法与机理进一步丰富了光响应的控制维度，增强了光响应的致动性能，拓展了光响应的应用范围。 微纳4D打印技术的应用 近年来涌现的新型驱动方式实现了微纳器件更为高效复杂的形变，推动了微纳4D打印实用化的进程。 图6 微纳4D打印技术的应用。（a）用于靶向药物递送的微型载药小鱼；（b）仿生四足微步行器；（c）可调焦距与视场的人工复眼结构 在生物医学领域，可以在外场作用下实现细胞运输、靶向药物递送等功能；在微机械领域，可以实现步态行走、蠕动等仿生运动以及目标识别抓取、转运等功能性操作；在光学领域，可实现可调谐环形谐振器、可调焦距与视场的人工复眼等结构，如图6所示。 总结与展望 微纳4D打印是目前最契合动态响应微纳器件需求的一项先进制造技术，丰富的材料体系和多样化的控制手段，在生物医学、微机电系统、柔性电子、可重构表面和超材料等众多前沿领域都有着巨大的应用前景，因此发展微纳4D打印技术具有重要意义。综上所述，微纳4D打印在动态响应微器件的开发上展现了巨大的应用前景，同时也存在着巨大的挑战。未来的研究可以从以下几个方面进行突破：1）发展更高精度和更高效率的微纳加工方法；2）开发高性能、良好生物相容性的响应性材料；3)发展和优化多维度驱动控制手段，实现更高效、更精准的个体控制以及更智能化的集群控制；4）强化从实验室研发到实际应用场景的衔接，实现微纳4D打印技术的落地应用。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.上百家3D打印企业！9月14-16日Formnext展览会解锁增材智造新技能！ 2.清华智造大讲堂：史玉升教授——从3D打印到4D打印 3.4D生物打印是噱头吗？看4D Biomaterials创新材料4Degra的应用 4.史玉升教授：4D打印智能构件的增材制造技术及应用领域