北京化工大學《自然·通訊》：提出“4D注塑成型”

注塑成型是大規模生產塑料、橡膠、金屬、陶瓷乃至復合材料部件的基石工藝。傳統注塑的核心目標始終是最大限度地減少翹曲變形，確保尺寸均勻性和高重復性。然而，一個長期存在的挑戰是，材料在復雜模具型腔中非均勻的體積收縮（Δν）會不可避免地導致非期望的翹曲變形。數十年來，研究者們致力于通過模具補償、隨形冷卻和先進過程控制來抑制這一缺陷，但“零翹曲”在理論上幾乎無法實現。

北京化工大學王建教授及其合作者提出了一種名為“4D注塑成型”的變革性方法。該方法反其道而行之，將原本被視為缺陷的收縮與翹曲，轉變為一種可控的、可編程的設計特性。這里的“4D”指的是制品在脫模后隨時間（t）發生的形狀演變。通過利用材料固有的固化收縮，并結合局部熱激活和選擇性模內鍵合兩種核心技術，該方法能在時空維度上調控溫度和壓力分布，從而僅用一副模具就制造出具有復雜、定制化幾何形狀的功能部件。集成預測模型與多目標響應優化后，該方法實現了快速、可擴展且成本高效的大規模定制。相關論文以“4D injection molding”為題，發表在Nature Communications上。

圖1 | 注塑成型部件的時空收縮與變形機制。 a. 非晶態和半結晶聚合物的壓力-比容-溫度（pνT）圖，說明了注塑過程中壓縮性（ν(p)）和熱收縮性（ν(T)）。插圖為分子結構對比，顯示半結晶聚合物具有有序區域和更大的固態收縮（Δν）。 b. 模具、注塑機及工藝參數對時空Δν的影響。三個不同區域的T（Ts1, Ts2, Ts3）和p（ps1, ps2, ps3）變化導致非均勻的ν（vs1, vs2, vs3）以及不同的ΔνII和ΔνI2。調節工藝參數（Tmelt, Tmold, pinj, ppack, tinj, tpack, tcool）可控制Δν（Δνs1, Δνs2, Δνs3）。 c. 空間Δν（Δνs1 + Δνs2 + Δνs3）和時間Δν（ΔνII + ΔνI2）。 d. 變形機制：翹曲發生在Δν↑較大（梯度驅動）和Δν/Δt↓較慢（動力學驅動）的區域。 e. 4D注塑成型策略：局部熱激活和選擇性模內鍵合通過產生不均勻的T、p、厚度和取向，誘導彎曲/扭轉變形。

研究團隊首先展示了“局部熱激活4D注塑成型”。他們在一個三葉片聚丙烯葉輪模具的背面集成了多個陶瓷加熱元件（圖2a）。當單獨激活不同位置的加熱元件時，可誘導出彎曲、扭轉甚至反向翹曲等多種變形模式，遠超傳統注塑的變形能力（圖2b）。通過響應面方法，研究者建立了加熱元件電壓與葉片邊緣軸向位移之間的預測模型。基于此模型，他們能夠反向計算出實現0、1、2、3和4毫米特定目標位移所需的電壓組合（圖2c, 2e）。實驗驗證結果顯示，預測值與實際值高度吻合（圖2d, 2f），證明了該技術可編程控制形狀的能力。

圖2 | 局部熱激活4D注塑成型。 a. 集成了實驗模具和定制化局部熱激活系統的三葉片葉輪注塑機示意圖。 b. 加熱元件1在24V激活下的熱學和變形響應：加熱元件和部件背面的模擬溫度分布、模擬和實驗的模具型腔表面溫度；面內（ΔνII）、面外（ΔνI2）和總軸向（Z方向）位移。 c. 基于RSM模型，針對0、1、2、3、4 mm目標位移，為八個加熱元件反向計算出的電壓（頂部及表格），實現可編程變形。 d. 模型預測位移與模擬驗證位移隨目標值的變化關系。 e. 基于RSM模型，針對0、1、2、3、4 mm目標位移，為八個加熱元件反向計算出的電壓（頂部及表格），實現可編程變形。 f. 模型預測位移與實驗驗證位移隨目標值的變化關系；誤差棒表示實驗測量值的范圍。

第二種核心技術是“選擇性模內鍵合4D注塑成型”。該方法在注塑前，將預先制備的薄片（如聚丙烯薄片）選擇性地放置在模具內的特定位置，在注塑過程中與熔體鍵合。鍵合區域因厚度差異和界面效應會形成局部的溫度和壓力梯度（圖3b），從而誘導可控的定向變形。研究者分別在十字形、手形和毛毛蟲形部件上驗證了該方法的普適性（圖3a, 3e, 3g）。通過響應面方法優化注塑工藝參數（熔體溫度、保壓壓力、保壓時間和冷卻時間），同樣實現了從0.5毫米到3.6毫米不等的精確可編程位移（圖3c, 3d, 3f）。位移隨鍵合位置與澆口距離的變化關系也得到了量化（圖3h）。

圖3 | 選擇性模內鍵合4D注塑成型。 a. 具有三種結構（十字形、手形、毛毛蟲形）可互換型腔的實驗模具。鍵合位置以紅色高亮。 b. 帶有近澆口鍵合部件的十字形部件模型。仿真結果包括充填結束時的熔體前沿T和p分布，以及預測的變形：面內（ΔνII）、面外（ΔνI2）和總軸向（Z方向）位移。 c. 基于RSM模型，使用反向計算的變量（I-V）（底部及表格）生成的可編程形狀部件，對應目標位移。 d. 模型預測位移與實驗驗證位移隨目標值的變化關系。 e. 帶有四個鍵合位置的手形部件模型。模擬的軸向位移以及基于RSM模型使用反向計算變量（II-V）制造的可編程形狀部件。 f. 模型預測位移與實驗驗證位移隨目標值的變化關系。 g. 帶有四個鍵合位置的毛毛蟲形部件模型。在Bond 1-4位置單點鍵合部件的模擬軸向位移及相應的實驗制造部件（底部）。 h. 位移隨距澆口位置變化的函數關系。

研究進一步將4D注塑成型拓展至復合材料領域。他們將連續玻璃纖維增強聚酰胺6預浸帶作為鍵合嵌件，以短玻纖增強聚酰胺6為基體材料，通過選擇性鍵合和纖維取向（緯向平行于流動方向，經向垂直于流動方向）來控制變形和力學性能（圖4a）。實驗結果表明，纖維取向和鍵合位置共同決定了部件的翹曲方向與彎曲形態（圖4b）。相比未鍵合部件，鍵合部件的彎曲強度和模量得到顯著提升，但斷裂應變有所下降（圖4c）。通過全因子響應面設計，研究者實現了對翹曲、強度、模量和斷裂應變的多目標調控。

圖4 | 用于復合材料的4D注塑成型。 a. 一副模具中的兩個型腔模型，其中連續玻纖增強PA6預浸料部件（纖維方向為緯向和經向，分別平行和垂直于流動方向）沿一個型腔在三個位置（Bond 1-3 和 Bond 1‘-3’，從澆口到末端）選擇性鍵合。 b. 制備的CGF/SGF-PA6部件對應于a中模型的實驗測量變形。 c. 無鍵合、緯向鍵合和經向鍵合部件的最大翹曲、彎曲強度、彎曲模量和斷裂應變比較。結果表示為實驗測量值的平均值±標準差。

在彈性體應用方面，研究團隊展示了4D注塑成型在軟體機器人領域的潛力。通過調節熱塑性聚氨酯的注塑工藝參數（如降低保壓壓力、縮短保壓和冷卻時間），即可在無需復雜模具的情況下，直接獲得具有不同程度卷曲變形的手形部件（圖5a）。這些卷曲的手指可產生高達0.7牛的抓取力，適用于抓取不同形狀和重量的物體（圖5b, 5c）。更進一步，通過將磁性Fe?O?/TPU復合薄片選擇性鍵合到TPU部件上，研究者制造出了具有磁響應功能的軟體抓手和柔性開關（圖5d, 5f, 5g）。這些部件在磁場作用下可發生可控變形（圖5e），并能用于物體轉移（圖5g）。

圖5 | 用于彈性體的4D注塑成型。 a. 表現出不同變形的TPU部件。 b. 手形TPU樣品的拉伸力測量。每個手指單獨測試。部件1和2在Tmelt = 220°C, ppack = 28 MPa, tcool = 20 s條件下制備，但tpack分別為3和5秒。 c. 手形TPU部件展示用于抓握物體（如鉛筆、夾子、球等）的各種卷曲變形。 d. 在不同位置鍵合了Fe?O?/TPU的TPU部件。 e. 鍵合了磁性TPU/Fe?O?的手形TPU部件的磁場誘導變形，與TPU/Fe?O?（5/5）條帶的變形對比。 f. 使用鍵合了Fe?O?/TPU部分的毛毛蟲形TPU部件實現的磁驅動柔性開關。 g. 通過鍵合了Fe?O?/TPU部分的TPU部件實現物體搬運與轉移。

總體而言，4D注塑成型將注塑成型的高通量生產優勢與可編程變形的設計自由度完美結合，無需更換模具即可生成多種幾何形狀，顯著降低了模具攤銷成本并加速了產品開發。該技術適用于從聚合物、復合材料、彈性體到潛在金屬、陶瓷甚至生物降解材料在內的廣泛材料體系。盡管在變形分辨率、模具復雜性和鍵合工藝穩定性方面仍存在挑戰，但4D注塑成型無疑為大規模定制化、自適應功能部件的制造開辟了新紀元，在可部署消費品、可變形穿戴設備、航空航天系統以及刺激響應軟體機器人等領域展現出廣闊的應用前景。