注塑成型是大規(guī)模生產(chǎn)塑料、橡膠、金屬、陶瓷乃至復(fù)合材料部件的基石工藝。傳統(tǒng)注塑的核心目標(biāo)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(fù)性。然而，一個(gè)長(zhǎng)期存在的挑戰(zhàn)是，材料在復(fù)雜模具型腔中非均勻的體積收縮（Δν）會(huì)不可避免地導(dǎo)致非期望的翹曲變形。數(shù)十年來(lái)，研究者們致力于通過(guò)模具補(bǔ)償、隨形冷卻和先進(jìn)過(guò)程控制來(lái)抑制這一缺陷，但“零翹曲”在理論上幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

北京化工大學(xué)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(zhuǎn)變?yōu)橐环N可控的、可編程的設(shè)計(jì)特性。這里的“4D”指的是制品在脫模后隨時(shí)間（t）發(fā)生的形狀演變。通過(guò)利用材料固有的固化收縮，并結(jié)合局部熱激活和選擇性模內(nèi)鍵合兩種核心技術(shù)，該方法能在時(shí)空維度上調(diào)控溫度和壓力分布，從而僅用一副模具就制造出具有復(fù)雜、定制化幾何形狀的功能部件。集成預(yù)測(cè)模型與多目標(biāo)響應(yīng)優(yōu)化后，該方法實(shí)現(xiàn)了快速、可擴(kuò)展且成本高效的大規(guī)模定制。相關(guān)論文以“4D injection molding”為題，發(fā)表在Nature Communications上。

圖1 | 注塑成型部件的時(shí)空收縮與變形機(jī)制。 a. 非晶態(tài)和半結(jié)晶聚合物的壓力-比容-溫度（pνT）圖，說(shuō)明了注塑過(guò)程中壓縮性（ν(p)）和熱收縮性（ν(T)）。插圖為分子結(jié)構(gòu)對(duì)比，顯示半結(jié)晶聚合物具有有序區(qū)域和更大的固態(tài)收縮（Δν）。 b. 模具、注塑機(jī)及工藝參數(shù)對(duì)時(shí)空Δν的影響。三個(gè)不同區(qū)域的T（Ts1, Ts2, Ts3）和p（ps1, ps2, ps3）變化導(dǎo)致非均勻的ν（vs1, vs2, vs3）以及不同的ΔνII和ΔνI2。調(diào)節(jié)工藝參數(shù)（Tmelt, Tmold, pinj, ppack, tinj, tpack, tcool）可控制Δν（Δνs1, Δνs2, Δνs3）。 c. 空間Δν（Δνs1 + Δνs2 + Δνs3）和時(shí)間Δν（ΔνII + ΔνI2）。 d. 變形機(jī)制：翹曲發(fā)生在Δν↑較大（梯度驅(qū)動(dòng)）和Δν/Δt↓較慢（動(dòng)力學(xué)驅(qū)動(dòng)）的區(qū)域。 e. 4D注塑成型策略：局部熱激活和選擇性模內(nèi)鍵合通過(guò)產(chǎn)生不均勻的T、p、厚度和取向，誘導(dǎo)彎曲/扭轉(zhuǎn)變形。

研究團(tuán)隊(duì)首先展示了“局部熱激活4D注塑成型”。他們?cè)谝粋€(gè)三葉片聚丙烯葉輪模具的背面集成了多個(gè)陶瓷加熱元件（圖2a）。當(dāng)單獨(dú)激活不同位置的加熱元件時(shí)，可誘導(dǎo)出彎曲、扭轉(zhuǎn)甚至反向翹曲等多種變形模式，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)注塑的變形能力（圖2b）。通過(guò)響應(yīng)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(yù)測(cè)模型?；诖四Ｐ?，他們能夠反向計(jì)算出實(shí)現(xiàn)0、1、2、3和4毫米特定目標(biāo)位移所需的電壓組合（圖2c, 2e）。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果顯示，預(yù)測(cè)值與實(shí)際值高度吻合（圖2d, 2f），證明了該技術(shù)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(shí)驗(yàn)?zāi)＞吆投ㄖ苹植繜峒せ钕到y(tǒng)的三葉片葉輪注塑機(jī)示意圖。 b. 加熱元件1在24V激活下的熱學(xué)和變形響應(yīng)：加熱元件和部件背面的模擬溫度分布、模擬和實(shí)驗(yàn)的模具型腔表面溫度；面內(nèi)（ΔνII）、面外（ΔνI2）和總軸向（Z方向）位移。 c. 基于RSM模型，針對(duì)0、1、2、3、4 mm目標(biāo)位移，為八個(gè)加熱元件反向計(jì)算出的電壓（頂部及表格），實(shí)現(xiàn)可編程變形。 d. 模型預(yù)測(cè)位移與模擬驗(yàn)證位移隨目標(biāo)值的變化關(guān)系。 e. 基于RSM模型，針對(duì)0、1、2、3、4 mm目標(biāo)位移，為八個(gè)加熱元件反向計(jì)算出的電壓（頂部及表格），實(shí)現(xiàn)可編程變形。 f. 模型預(yù)測(cè)位移與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證位移隨目標(biāo)值的變化關(guān)系；誤差棒表示實(shí)驗(yàn)測(cè)量值的范圍。

第二種核心技術(shù)是“選擇性模內(nèi)鍵合4D注塑成型”。該方法在注塑前，將預(yù)先制備的薄片（如聚丙烯薄片）選擇性地放置在模具內(nèi)的特定位置，在注塑過(guò)程中與熔體鍵合。鍵合區(qū)域因厚度差異和界面效應(yīng)會(huì)形成局部的溫度和壓力梯度（圖3b），從而誘導(dǎo)可控的定向變形。研究者分別在十字形、手形和毛毛蟲(chóng)形部件上驗(yàn)證了該方法的普適性（圖3a, 3e, 3g）。通過(guò)響應(yīng)面方法優(yōu)化注塑工藝參數(shù)（熔體溫度、保壓壓力、保壓時(shí)間和冷卻時(shí)間），同樣實(shí)現(xiàn)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(guān)系也得到了量化（圖3h）。

圖3 | 選擇性模內(nèi)鍵合4D注塑成型。 a. 具有三種結(jié)構(gòu)（十字形、手形、毛毛蟲(chóng)形）可互換型腔的實(shí)驗(yàn)?zāi)＞?。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(jié)果包括充填結(jié)束時(shí)的熔體前沿T和p分布，以及預(yù)測(cè)的變形：面內(nèi)（ΔνII）、面外（ΔνI2）和總軸向（Z方向）位移。 c. 基于RSM模型，使用反向計(jì)算的變量（I-V）（底部及表格）生成的可編程形狀部件，對(duì)應(yīng)目標(biāo)位移。 d. 模型預(yù)測(cè)位移與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證位移隨目標(biāo)值的變化關(guān)系。 e. 帶有四個(gè)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(jì)算變量（II-V）制造的可編程形狀部件。 f. 模型預(yù)測(cè)位移與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證位移隨目標(biāo)值的變化關(guān)系。 g. 帶有四個(gè)鍵合位置的毛毛蟲(chóng)形部件模型。在Bond 1-4位置單點(diǎn)鍵合部件的模擬軸向位移及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)制造部件（底部）。 h. 位移隨距澆口位置變化的函數(shù)關(guān)系。

研究進(jìn)一步將4D注塑成型拓展至復(fù)合材料領(lǐng)域。他們將連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)聚酰胺6預(yù)浸帶作為鍵合嵌件，以短玻纖增強(qiáng)聚酰胺6為基體材料，通過(guò)選擇性鍵合和纖維取向（緯向平行于流動(dòng)方向，經(jīng)向垂直于流動(dòng)方向）來(lái)控制變形和力學(xué)性能（圖4a）。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(tài)（圖4b）。相比未鍵合部件，鍵合部件的彎曲強(qiáng)度和模量得到顯著提升，但斷裂應(yīng)變有所下降（圖4c）。通過(guò)全因子響應(yīng)面設(shè)計(jì)，研究者實(shí)現(xiàn)了對(duì)翹曲、強(qiáng)度、模量和斷裂應(yīng)變的多目標(biāo)調(diào)控。

圖4 | 用于復(fù)合材料的4D注塑成型。 a. 一副模具中的兩個(gè)型腔模型，其中連續(xù)玻纖增強(qiáng)PA6預(yù)浸料部件（纖維方向?yàn)榫曄蚝徒?jīng)向，分別平行和垂直于流動(dòng)方向）沿一個(gè)型腔在三個(gè)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(duì)應(yīng)于a中模型的實(shí)驗(yàn)測(cè)量變形。 c. 無(wú)鍵合、緯向鍵合和經(jīng)向鍵合部件的最大翹曲、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量和斷裂應(yīng)變比較。結(jié)果表示為實(shí)驗(yàn)測(cè)量值的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

在彈性體應(yīng)用方面，研究團(tuán)隊(duì)展示了4D注塑成型在軟體機(jī)器人領(lǐng)域的潛力。通過(guò)調(diào)節(jié)熱塑性聚氨酯的注塑工藝參數(shù)（如降低保壓壓力、縮短保壓和冷卻時(shí)間），即可在無(wú)需復(fù)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(chǎn)生高達(dá)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(jìn)一步，通過(guò)將磁性Fe?O?/TPU復(fù)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(yīng)功能的軟體抓手和柔性開(kāi)關(guān)（圖5d, 5f, 5g）。這些部件在磁場(chǎng)作用下可發(fā)生可控變形（圖5e），并能用于物體轉(zhuǎn)移（圖5g）。

圖5 | 用于彈性體的4D注塑成型。 a. 表現(xiàn)出不同變形的TPU部件。 b. 手形TPU樣品的拉伸力測(cè)量。每個(gè)手指單獨(dú)測(cè)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(chǎng)誘導(dǎo)變形，與TPU/Fe?O?（5/5）條帶的變形對(duì)比。 f. 使用鍵合了Fe?O?/TPU部分的毛毛蟲(chóng)形TPU部件實(shí)現(xiàn)的磁驅(qū)動(dòng)柔性開(kāi)關(guān)。 g. 通過(guò)鍵合了Fe?O?/TPU部分的TPU部件實(shí)現(xiàn)物體搬運(yùn)與轉(zhuǎn)移。

總體而言，4D注塑成型將注塑成型的高通量生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)與可編程變形的設(shè)計(jì)自由度完美結(jié)合，無(wú)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(chǎn)品開(kāi)發(fā)。該技術(shù)適用于從聚合物、復(fù)合材料、彈性體到潛在金屬、陶瓷甚至生物降解材料在內(nèi)的廣泛材料體系。盡管在變形分辨率、模具復(fù)雜性和鍵合工藝穩(wěn)定性方面仍存在挑戰(zhàn)，但4D注塑成型無(wú)疑為大規(guī)模定制化、自適應(yīng)功能部件的制造開(kāi)辟了新紀(jì)元，在可部署消費(fèi)品、可變形穿戴設(shè)備、航空航天系統(tǒng)以及刺激響應(yīng)軟體機(jī)器人等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。