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2、3D打印智能材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

 智能材料結(jié)構(gòu)的3D打印技術(shù)克服了傳統(tǒng)智能材料制備方法難以制備復(fù)雜形狀智能材料結(jié)構(gòu)的缺點，使制備任意復(fù)雜形狀三維智能材料結(jié)構(gòu)成為可能。目前3D打印智能材料在環(huán)境自適應(yīng)機構(gòu)、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、柔性機械、自執(zhí)行系統(tǒng)等領(lǐng)域進行了初步應(yīng)用。

2.1 環(huán)境自適應(yīng)機構(gòu)與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測

 很多智能材料同時具有驅(qū)動功能和傳感功能，如形狀記憶合金(SMA)，既可以作為驅(qū)動器在不同溫度激勵下產(chǎn)生變形，又可以對構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)變、溫度、裂紋進行實時測量，探測其疲勞和受損傷情況。

 M.Dapino等提出了通過超聲增材制造技術(shù)(Ultrasonic Additive Manufacturing，UAM)將不同的金屬材料、智能材料結(jié)合成智能結(jié)構(gòu)，該智能結(jié)構(gòu)具有在不同環(huán)境下改變形狀結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)監(jiān)測的功能。UAM指在室溫下通過超聲波將金屬薄片結(jié)合在一起，逐層結(jié)合固化實現(xiàn)三維實體結(jié)構(gòu)。M.Dapino等利用UAM技術(shù)將形狀記憶合金（SMA）等智能材料結(jié)合到金屬基體中，得到的智能結(jié)構(gòu)可以根據(jù)需求改變形狀(圖11)，而且可以實現(xiàn)智能結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測和壽命預(yù)測，該智能結(jié)構(gòu)可用于智能汽車和智能航天器的設(shè)計制造。

2.2 柔性機器人

 3D打印智能材料結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于柔性機器人領(lǐng)域，相比于由硬質(zhì)材料如金屬、陶瓷、塑料制成的傳統(tǒng)機械，柔性機器人在醫(yī)療機器人和仿生機器人等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用價值和前景。M.Landgraf等提出利用DE材料的3D打印技術(shù)制造DE堆棧結(jié)構(gòu)柔性機械，DE堆棧結(jié)構(gòu)是將多個DE薄膜驅(qū)動器堆疊在一起，同時加載電壓，使每個DE智能材料在厚度方向的收縮變形疊加成大收縮變形，堆棧結(jié)構(gòu)DE的傳統(tǒng)制備方法是利用手工或者半自動的制造方法將制備好的DE薄膜智能材料逐個疊加，該方法制造工藝復(fù)雜且難以制造多層DE堆棧結(jié)構(gòu)智能機械。M.Landgraf等利用噴霧3D打印技術(shù)(Aerosol Jet Printing)將DE基體材料與電極材料逐層打印固化，形成電極材料與DE基體材料交替的DE堆棧式智能柔性機械。采用DE材料的3D打印技術(shù)制造堆棧式柔性機械，不僅減少了制造工藝復(fù)雜度和生產(chǎn)時間，而且提高了制造精度，可制造任意層數(shù)和任意形狀結(jié)構(gòu)的多層DE堆棧結(jié)構(gòu)柔性智能機械。3D打印智能材料結(jié)構(gòu)必將推進柔性機器人的快速發(fā)展。

2.3、自執(zhí)行系統(tǒng)

 S.Felton和M.Tolley等利用形狀記憶聚合物(SMP)的3D打印技術(shù)制造了自執(zhí)行系統(tǒng)(Self-Deployable Systems)。該課題組利用3D打印技術(shù)將形狀記憶聚合物與硬質(zhì)基體材料結(jié)合成智能結(jié)構(gòu)，在外界環(huán)境刺激下由3D打印技術(shù)制造的智能結(jié)構(gòu)可以發(fā)生自組裝和自折疊，自執(zhí)行系統(tǒng)可以應(yīng)用于探測器和物流等多個領(lǐng)域[20]。該課題組利用SMP的3D打印技術(shù)將SMP與硬質(zhì)有機聚合物基體結(jié)合成自執(zhí)行智能結(jié)構(gòu)--蠕蟲機器人(Inchworm Robot)，通過控制蠕蟲機器人反復(fù)彎曲折疊變形可實現(xiàn)前進運動（圖12）。同樣，SMP的3D打印技術(shù)還可應(yīng)用于物流領(lǐng)域，可以將三維實體結(jié)構(gòu)打印成二維結(jié)構(gòu)，在物流過程中節(jié)省存儲運輸空間，需要使用時通過外界環(huán)境激勵使其變形為三維結(jié)構(gòu)實現(xiàn)功能。

未完待續(xù)；