作為第四次工業(yè)革命標志技術之一的4D打印技術,是增材制造領域的尖端技術。與當下3D打印技術相比,4D打印增加了時間維度,使打印產(chǎn)品能基于時間,接受特定外部刺激因子作用,實現(xiàn)自動形變、自動修復、自動組裝。4D打印具有人本性、智能性、交互性、生態(tài)性和生成性等教育應用特性,可以為教學者或?qū)W習者打印個性化的教具、學具和玩具;同時,利用其自適應和自組裝能力,可以重構(gòu)智能化的學習空間,方便學習者進行協(xié)同編程,以培養(yǎng)信息時代所需要的編程素養(yǎng)。4D打印技術的教育應用,可以進一步深化和推動當下STEAM教育的跨學科教學,培養(yǎng)學習者的跨學科學習能力。未來教育是人與人工智能的協(xié)作,以人工智能為核心的新技術將與教學融合,成為下一個核心驅(qū)動力。4D打印也是人工智能在教育領域應用的重要形式,其具有的智慧屬性,將更好地服務和支持未來教育,服務于面向未來的創(chuàng)新人才培養(yǎng)。 

【文章來源】：遠程教育雜志. 2018年01期 北大核心CSSCI

【文章頁數(shù)】：12 頁

【部分圖文】：

打印的主要構(gòu)成要素

244期二、4D打印技術的特點及工作原理（一）4D打印的定義自上世紀80年代第一個增材制造系統(tǒng)被提出以來，增材制造領域取得了巨大的發(fā)展[10]。增材制造（AdditiveManufacturing）以3D打印或快速原型為大眾所熟知，是一種可以將材料自由塑型的制造技術。3D打印技術能夠快速制造出產(chǎn)品的預想結(jié)構(gòu)，并且不需要額外的塑模與加工。近年來，3D打印的材料價格不斷下降，軟硬件設施得到優(yōu)化升級，可打印材料種類數(shù)目激增，推動了4D打印的出現(xiàn)。2013年，麻省理工學院自組裝實驗室首次提出了4D打印概念[11]。如圖1所示，實驗室負責人斯凱拉·蒂比茨（SkylarTibbits）在TED演講上向世人展示了其團隊在實現(xiàn)4D打印技術上的努力：與Stratasys、Autodesk公司合作開發(fā)出一條由可延展與不可延展材料混合而成的線裝打印體。這種復合材料結(jié)構(gòu)體，由兩種不同孔隙率和吸水性的材料組合而成，通過計算機輔助設計加入復雜的算法，使得線狀物體遇水能夠向指定方向形變，最終形成立方體結(jié)構(gòu)。圖1線狀物體遇水變形成正方體結(jié)構(gòu)[12]因此，4D打印最初被定義為3D打印與時間維度的結(jié)合，這種結(jié)合表現(xiàn)為：通過3D打印出的結(jié)構(gòu)在外部刺激因子（如，水、熱、光）作用下在時間的維度中發(fā)生變化[13-15]。斯凱拉·蒂比茨等人認為，4D打印是一個全新的處理過程，“該過程需要復合材料的參與，同時，材料在外部觸發(fā)下有能力隨著時間而改變；或者是一個定制化的材料系統(tǒng)，可以從一種形狀轉(zhuǎn)變到另一種……第四個維度———時間，指的是隨時間而變化，強調(diào)打印出的結(jié)構(gòu)體不再是靜態(tài)的物體，而是具有可編程性，并且能獨立轉(zhuǎn)換的智能結(jié)構(gòu)”[16]。但根據(jù)Pei等人給出的定義：4D打印是使用特定的增材制造技術以及具有刺激反饋的智能材料來建造物?

能材料對外部刺激的反饋作為主要特點。我們認為，4D打印技術需要對兩種定義進行整合：智能材料是一種在外部特定環(huán)境的刺激下，能夠以有效的方式在不同物理域之間變化形態(tài)或?qū)傩缘牟牧稀Ｖ悄懿牧系氖褂�，能夠保證打印出的物理結(jié)構(gòu)按照預設的方式，在時間維度下產(chǎn)生變化�，F(xiàn)階段許多4D打印應用，受限的原因就是沒有找到合適的材料特性。例如，4D打印可以組裝人造肌肉，但目前材料的相關變化機制和屬性不足以達到人造生物肌肉的標準[25]。因此，先進的智能材料和打印設備，對于未來4D打印應用的普及至關重要。如圖3所示，Sun等人將智能或刺激反饋材料進一步劃分為多個子類。根據(jù)其分類特征，這類材料的性能可以歸結(jié)為：自動感知、決策、可反愧形體記憶、自適應、多功能和自我修復。2.4D打印設備在通常情況下，4D打印結(jié)構(gòu)是通過打印設備將不同材料合理分布并一次成型的結(jié)構(gòu)體[26]。不同的材料屬性，例如，溶脹比、熱膨脹系數(shù)，可以使結(jié)構(gòu)按特定方式變化成為可能。近年來，Stratasys公司所研發(fā)的聚合物噴射（PolyJetTechnology）3D打印技術，在處理復合材料打印方面取得了較大進展[27]；選擇性激光熔化技術（SelectiveLaserMelting）則實現(xiàn)使用具有高能量密度的激光，熔化金屬粉末層以創(chuàng)造均勻的3D金屬結(jié)構(gòu)，而不需要任何粘合劑和額外的支持[28]，這些進步都推動了4D打印的發(fā)展。JinChoi等學者使用通過基于材料成型技術（MaterialExtrusion）特制的3D打印設備，設計出在加熱作用下能夠定向彎曲的人造手假體[30]。該結(jié)構(gòu)體是由熱塑性聚氨酯（TPU），一種形狀記憶聚合物的柔性材料組成。其使用的3D打印設備經(jīng)過改良，材料噴嘴處涂覆聚四氟乙烯并設置加熱溫床，可有效避免TPU材料阻塞噴嘴以及制造過程中的熱?

【參考文獻】：
期刊論文
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本文編號：2915576