4D打印技術開創“e制造”時代

王望　付云崗

我們身處在一個科技以指數趨勢更新換代的世界，從現有技術跳躍到新一代技術所需的時間短之又短。當“3D打印”被聊得熱火朝天的時候，研究專家們就已經成功創造了下一代“4D打印”新技術，不得不承認，科技進步之神速總使我們嘆為觀止，驚奇不已，

4D打印技術的誕生

1 4D打印高調亮相于世

體現4D打印技術的最初思想是在2011年由Oxman等人提出的一種變量特性快速原型制造技術，這項技術根據材料的變形特性和不同材料的屬性，通過逐層鋪粉成型具有連續梯度的功能組件，成型件隨時間推移來實現自我變形。同年，Tibbits提出了材料自組裝的概念，進而進行了一系列探索性的試驗研究。這也是4D打印技術的雛形和基礎。

2013年，在美國加州舉辦TED（Technology，Entertainment，Design）大會上，來自麻省理工學院（MIT）的Skylar Tibbits首次公開演示了4D打印技術并解釋：4D打印技術就是“自我組裝”，即材料自動變形為預設的模型。4D打印技術的橫空出世，預示著4D打印正式開始啟動智能新時代。

2 4D打印比3D打印“酷炫”在哪？

①3D打印與4D打印技術概念的區別

3D打印是一種快速成型技術，它以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。不難理解，3D指的是描述現實世界中幾何結構尺寸的3個空間維度變量（x，y，z）。

所謂的4D打印技術，就是在傳統3D打印的概念基礎上增加了時間維度t（其中t應理解成是廣義的，它是表征一切4D打印中的第4維材料中所隱含的可變參量的總代表）。也就是說，被打印物體可以隨著時間的推移而在形態上發生自我變形，核心是記憶合金，人們可通過軟件預設特定的模型和時間，變形材料就能在設定時間內變成所需的形狀。3D打印和4D打印的區別可通過圖1中的立方體模型對比簡單來感受一下。

②3D打印與4D打印技術原理的區別

3D打印通常采用數字技術材料打印機來實現。Tibbits認為，3D打印必須預先建模、掃描，之后使用物料打印出產品，而4D打印顛覆了這種先模擬后制造，或一邊建物一邊調整模擬效果的一般傳統意義上的造物過程，使快速建模發生了根本性的轉變。與3D打印的預先建模，掃描，再使用物料成形不同，4D打印直接將設計內置到物料當中，簡化了從“設計理念”到“實物”的造物過程。讓物體如機器般靈活地“自動”創造，而不需要連接其他任何復雜的機械電子裝備。

比起新興的4D打印技術，3D打印驟然望而卻步。4D打印技術“炫”就“炫”在生產的產品，不僅是立體的，而且還能隨時間的變化自動組裝成型，這是3D打印技術無法比擬的。

4D打印技術的核心

1 神奇的“變形金剛”材料

當發展了30年之余的3D打印方興未艾，4D打印就已“蠢蠢欲動”。比起3D打印技術，4D打印更加智能化和個性化，但同時也對打印材料提出了更高的要求，需要使用到某些特殊材料。這些智能材料能自動響應所接觸到的水，重力、溫度，氣體，磁性等外界變化，當感知到不同的環境狀態時，可以通過自適應，自編程來改變自身的形狀。例如，一條打印出來的管道能按照之前預設的模型，以水為活化能從而發生自動變形。由此可見，4D打印技術比3D打印多了一種超能力，即“變形”能力，想象一下，一個沒有依靠復雜電子機械設備而擁有像人類一般的行為的機器人，這是多么得不可思議啊！

2 4D打印技術應用之案例

近兩年，Tibbits一直在探索如何使用4D打印來制造不需要傳統機器人結構的機器這個問題。在MIT自組裝實驗室里，他和同事們研制出了大量的相關成果。其中圖2給出了一個4D打印物體的例子，它能夠被預編程來響應水的刺激并且改變形狀。最上面的圖演示了一個一維物體（利用某種特殊聚合物制成）被注入到水里后，這個蛇形物可折疊成二維的麻省理工學院的字母“MIT”。底部的兩幅圖演示了如何從平面和線框結構創建出自動折疊立方體。圖3演示了這種單鏈聚合物由字母“MIT”自動變形為字母“SAL”形狀的過程，還有一種平面結構自動折疊成截角八面體，以及一種扁平圓盤在接觸到水時自主折疊成一個曲面凸紋的折紙結構。這項實驗是由Skylar Tibbits和Stratasys公司，歐特克（Autodesk）公司共同開展的，他們采用的是Stratasys公司的Connex復合材料打印機和一種新型聚合物，該聚合物在入水后體積可以膨脹至150%。

另一項4D打印技術是在3D打印作業期間將導線或導體嵌入到特殊兼容組件中。當對象被打印以后，這些組件可以被外界信號激活，進而引發全部自組裝行為（如圖4和5所示）。圖4是機器人手指的設計和制造過程，通過在3D打印過程中嵌入某些特殊組件而成，（a）顯示的是該機器人手指的CAD圖，（b）顯示的是手指被嵌入單絲纖維制造完成的形態，（c）顯示的是通過滑動手指驅動關節。圖5是通過3D打印制造集成了傳感和驅動功能的飛機襟翼，（a）顯示的是在材料沉積過程中直接將導體布線嵌入到平面和立體中，（b）顯示的是具備形變驅動的記憶合金線嵌入后的詳細幾何視圖，（c）顯示的是當感應到電流時襟翼會隨之擺動。其他4D打印技術進展包括復合材料的應用，基于不同的物理機制和熱動力學可以轉變成一些不同的復雜形狀，已有證據可證明一些材料可以通過光的照射而自動折疊。

美國“神經系統”（Nervous System）設計工作室人員開發了一件采用4D打印技術印在單件上的完全可穿戴的連衣裙（見圖6），這也是通過3D打印技術印制成的世界上首件4D打印連衣裙。此件4D連衣裙通過3316個連接點把2279個打印塊連在一起，堪稱為模特量身定制。“神經系統”創意主管杰茜卡·羅森克蘭茨說，4D打印或許將成為未來時裝的發展方向。

前途無量的4D打印技術

4D打印有望在制造過程中扮演一個非常重要的角色。印刷技術能使編程材料根據內置的程序從一維或二維印刷自我轉變成三維對象。據2015年6月份Marketsand Market發布的關于4D打印的最新市場研究報告《4D市場之材料、終端用戶的行業和地域——全球趨勢及預測，2019～2025》，全球4D印刷市場有望在2019年實現商業化，并且將以42.95%的復合年均增長率至2025年達到5.378億美元，這種增長將會隨著制造和加工成本的降低，確保環境的可持續發展而不斷驅動增長（見圖7）。

4D打印技術的潛力是無窮的，橫跨軍工，汽車，建筑，醫療保健，服裝等各大領域，其應用前景之廣闊是目前無法估量的。4D打印是對3D打印技術的延伸，它使得打印并不只是創造的終極，而僅僅是一條路徑，這條神奇之路值得世界為之探索。只有想不到的，沒有做不到的，4D打印技術將還原你的幻想為真實，相信4D打印技術勢必會給制造行業帶來巨大的變革，“e制造”時代已蓄勢待發，你準備好迎接它了嗎？

責任編輯：王蕾