基于智能材料的4D打印算法研究

4D printing is a disruptive technology opening trendy challenges for digital fabrication (3D printing) using smart materials. The 4D printed objects can evolve in time according to external environmental stimulus like heating and cooling. It is believed that 4D printing will be widely used in the future. This project will study the series of problems on geometric design and optimization in 4D printing and will propose key theories and algorithms on intelligent modeling in 4D printing. We will focus on the shape-memory material of Shape Memory Polymer (SMP) and studying the following problems: study the memory characteristics of programmable materials, study the stress property of various material distributions and geometric structures, and study the computational design of shape memory objects, which can change their shape in a predefined way from source shape to target shape when exposed to an environmental stimulus and return from its temporary shape to the original shape. The principal of the project will cooperate with the experts in 3D/4D printing (including the fields of material science and control technology) on researches on the smart design with smart materials. We will prove our theory, algorithm and technologies with practical experiments.

4D打印技术是指由3D打印技术制造的智能材料结构，在一定的环境激励下，可以随时间产生形状结构的变化，具有非常广阔的应用前景。本项目将深入地研究4D打印中的基于智能材料的几何设计与优化的系列问题，提出面向4D打印中的智能建模的系列关键理论与算法。项目将重点研究基于形状记忆材料，特别是基于形状记忆聚合物(Shape Memory Polymer，SMP)的智能设计与优化问题：研究可编程形状记忆材料的形状记忆性能，研究不同材料的分布组合及几何结构的力学性能，以及研究基于可编程智能材料的复杂变形物体的建模与设计，以满足给定的变形目标。项目申请人也将与国内外的3D/4D打印领域专家（包括材料技术和控制技术等）开展合作，探索有关智能材料及智能设计的实用技术，并通过实际试验来验证所提出的理论、算法与技术。

智能材料 (Smart Material)，在外界环境激励下，如温度场、电磁场、湿度、光等，能够自动完成相应的反应（比如膨胀或收缩）。4D打印技术是指由3D打印技术制造的智能材料结构，在一定的环境激励下，可以随时间产生形状结构的变化。4D打印技术对于制造业所带来的变革将是深远的，具有非常广阔的应用前景。.本项目围绕着形状记忆聚合物 (SMP) 智能材料的计算模型及逆向设计与优化问题展开研究，主要的研究内容包括：首先，对于在大规模物理仿真计算中的非凸、非线性的复杂优化问题，针对特有的结构信息，设计了系列具有较高收敛速度、具有可并行性、计算快速的迭代优化算法；其次，基于数学与力学计算构建结构的数学模型，通过最优化手段来设计物体内部的轻量化结构，以减轻物体质量，达到节省制造材料、节约制造成本的目的；然后，深入研究了形状记忆聚合物SMP智能材料的力学特性及热力学循环性质，推导出其本构模型的计算模型与方法，为智能建模与逆向设计提供了关键理论与计算方法；最后，给出了第一个基于SMP智能材料的逆向几何设计的计算与优化算法，即给定一个3D 物体的两个不同姿态，自动计算各种材料（智能材料、柔性材料等）在物体的分布，使得在外界激励下（温度）物体能够自动变形为这些形状；并通过三个应用得以验证。.项目组在国际著名期刊及国内一级刊物发表研究论文25篇，其中发表在计算机图形学领域TOP学术期刊ACM Transactions on Graphics 12篇；获得国家发明专利5项；在国内外学术会议交流20余次；举办学术会议和研讨会2次；培养了博士研究生15名，硕士研究生20名；其中毕业博士研究生8名，毕业硕士研究生11名。项目执行四年来, 在原计划的各个方面都取得了良好进展，完成了项目的预期任务，部分成果远超预期目标。