摘 要

4D打印技术是在3D打印技术的基础上增加了一个时间演变维度，它继承了3D打印的主要优势，同时凭借智能材料与结构的自感知、自驱动、自诊断特性具备独有的动态调节能力，使打印产品在形状、特定性质和功能等可以按照事先“预设的程序”随时间发生改变。智能材料、建模设计软件与打印机是它的三个重要环节，三方研究齐头并进才能促使4D打印的蓬勃发展，而智能材料的研究与发展是其中最为基础的一环。将智能材料应用于传统结构，赋予了传统结构自适应调节、自我诊断、自我修复等智能特征，除此之外还可以针对某一特殊性能要求在智能材料中添加强化相制造智能复合材料，在各行各业应用前景广阔。将智能材料和4D打印技术的优点应用于汽车工业，会使制造成本与运输成本大幅度降低，制造流程有效简化，高复杂度、高个性化产品制造难度降低，同时也有助于全球化数字制造，是制造业一个较主流的发展方向。

本文介绍了4D打印的概念与内涵，国内外研究现状，特别是与汽车领域相关概念设计。针对智能材料、设计软件、打印机三个关键环节的工作机理、发展历程展开详细论述。智能材料部分整理了目前较为主流的四种智能材料并进行了分析与总结。为后文智能材料应用于车身构件设计作了扎实的理论铺垫。概念设计分为变形车体与机构、自适应主动悬架和自适应变形轮胎三大部分。变形车体中针对变形空气动力学组件如汽车尾翼、车体展开机构如铰链机构提出了概念设计；悬架系统中利用智能材料制造的减振器、弹性元件实现阻尼或刚度、车身高度可调的主动悬架设计方案；轮胎部分分析了目前智能轮胎的发展方向，采用复合智能材料设计能更好地优化其性能。每一部分都绘制了相关原理介绍图或概念结构图以便更清晰地阐述概念设计方案。给想要了解智能材料在汽车领域可能应用的人较为完整的论述，更多的概念设计留待不断发展与创新。

关键词：4D打印技术；智能材料；自适应；变形车体；主动悬架；智能轮胎

Abstract

4D printing technology adds a time evolution dimension based on 3D printing technology. It inherits the main advantages of 3D printing. At the same time, it has unique dynamic adjustment capability by self-sensing, self-driving and self-diagnosis of intelligent materials and structures. In order to make the shape, specific properties and functions, etc. of the printed product can be changed over time according to the "pre-set program". Intelligent materials, 3D design software and printers are its three important links. The three-way research can promote the vigorous development of 4D printing, and the research and development of intelligent materials is the most basic one. The application of smart materials to traditional structures gives intelligent features such as adaptive adjustment, self-diagnosis and self-repair to traditional structures. In addition, intelligent composite materials can be added to smart materials for a specific performance requirement. The application prospects of field are broad. Applying the advantages of smart materials and 4D printing technology to the automotive industry will significantly reduce manufacturing and transportation costs, simplify manufacturing processes, reduce manufacturing complexity for highly complex and highly personalized products, and contribute to global digital manufacturing. It is a mainstream development direction of the manufacturing industry.

This paper introduces the concept and connotation of 4D printing, research status at home and abroad, especially related to the automotive industry. The working mechanism and development process of smart materials, design software and printers are discussed in detail. The intelligent materials part sorted out four mainstream smart materials and analysis summary. It provides a solid theoretical foundation for the application of smart materials in the design of automotive body components. The conceptual design is divided into three parts: the transformable car body and mechanism, the adaptive active suspension and the adaptive deformation tire. About the deformation car body, a conceptual design is proposed for the deformation aerodynamic components such as the rear wing and the vehicle body unfolding mechanism such as the hinge mechanism; In the suspension system, the damper and elastic components made of smart materials to realize the adjustable damping, rigidity, and height of the vehicle. The tire part analyzes the current development direction of smart tires, and composite intelligent material design can have better performance. Each part is drawn with a schematic diagram of the relevant principle or a conceptual diagram to illustrate the conceptual design more clearly. Give a more complete discussion for people who want to know the potential application of smart materials in the automotive field, more conceptual design is left to be continuous developed and innovated.

Key Words: 4D printing; self-adaptive; smart materials; transformable car body; active suspension; smart wheels

目录

第1章 绪论 1

1.1 4D打印的概念与内涵 1

1.2 国内外发展及研究现状 2

1.2.1 4D打印技术的发展趋势 2

1.2.2 4D打印技术在汽车领域的概念设计研究与发展 5

1.3 本文研究意义及研究主要内容 6

第2章 基于智能材料的4D打印工艺流程 8

2.1 智能材料 8

2.1.1 形状记忆智能材料 8

2.1.2 磁流变液 13

2.1.3 压电智能材料 16

2.1.4 超磁致伸缩材料 19

2.2 设计软件 20

2.3 打印机/打印方式 21

2.3.1 光固化快速成型/立体光刻成型技术（SLA） 21

2.3.2 粉末烧结技术（SLS） 22

2.3.3 熔融沉积技术（FDM） 23

2.3.4 聚合物喷射打印技术（PolyJet） 23

2.3.5 直写打印技术（DW） 23

第3章 变形车体概念设计与研究 26

3.1 自适应变形汽车尾翼概念设计 28

3.1.1 汽车尾翼的原理与作用 28

3.1.2 变形尾翼概念设计方案 30

3.2 车体展开机构概念设计 36

3.2.1 扭转式SMA弹簧 38

3.2.2 形状记忆聚合物复合材料的铰链 40

第4章 自适应主动悬架概念设计与研究 43

4.1 悬架作用及分类 43

4.2 磁流变液减震器设计 44

4.2.1 磁流变液减振器阻尼力计算 44

4.2.2 磁流变液减震器结构设计 45

4.3 超磁致伸缩作动器 48

4.4 形状记忆合金弹簧 50

第5章 自适应变形轮胎概念设计 51

5.1 智能轮胎发展与研究现状 51

5.2 胎面花纹分类 54

5.3 轮胎结构概念设计 56

第6章 总结与展望 58

参考文献 60

致谢 63

绪论

4D打印的概念与内涵

3D打印技术兴起于上世纪90年代中期，参考美国材料与试验协会（ASTM）对它的定义，3D打印技术是一种以三维模型数据为基础，逐层沉积粉末状材料，如金属粉末、塑料粉末或是高分子聚合物粉末等来制造物体的技术，因此3D打印技术也常被称作增材制造技术^[1]。可以说3D打印是制造业发展历程中一项具有代表性的颠覆性技术，它实现了传统制造业中等材、减材的理念与模式向增材的巨大转变。运用3D技术不需要传统的机械加工流程，打印设备利用三维模型数据可以自由构造形状复杂、高精度的零件与产品。尽管如此，其产品仍受到打印时间与打印设备体积的限制，由于沉积成型的方式打印过程中需要支撑物，零件打印出来仍需要进一步组装，灵活度与环境适应性有待提升，因此4D打印技术应运而生^[1,2]。

2013年麻省理工大学Tibbits研究小组在TED会议上通过展示一段绳状物入水后自动折叠成“MIT”字样首次提出4D打印技术的概念^[4]。通俗来说，4D打印=3D打印 时间维度，它依赖于智能材料、3D打印设备和数学建模与设计的蓬勃发展。4D打印通常以智能材料为打印材料，先利用3D打印技术打印出三维物体基本机构，时间不断推移，在给予特定的激励或刺激如光、电、磁、温度、水等条件下，该物体自身形状、特性或性能可以发生一定的变化^[3,4]。4D打印不仅继承了3D打印的主要优势，而且可以将产品后续的变形设计程序化编入物料当中，简化了机械制造工艺流程的设计，打印出的产品能自动组装，将产品设计、制造和装配高效融合^[3]。4D打印包含：智能材料、设计软件、打印机等关键环节。现阶段智能材料例如：电活性聚合物、形状记忆材料、压电材料、电磁流变体、磁致伸缩材料等^[2-4]。