4D打印將顛覆未來時裝產業

劉樹英

3D與4D同臺演示

這是哈佛大學新工業技術實驗室（HUNITL）最近進行的一場別致趣味的技術演示：部分研究人員使用纖維素纖維、木漿丙烯酰胺水凝膠等材料制作出了一種特別的膠狀物。當從3D-Nylon 12-3D打印機噴嘴中被擠出時，其中具備方向特性的纖維會對準擠壓軸，從而制作出一件新穎時尚的比基尼泳衣；雖然3D打印服裝目前還尚未真正普及，但這并未阻止科學家推動4D打印的發展——另一些研究人員則使用形狀記憶聚合物纖維進行4D同臺演示，他們利用第四維度的時間推移技術工藝，幾乎同時制作出具備自身變形能力的防曬披肩與胸飾花朵。

顛覆打印的時新技術

究竟什么是4D打印技術呢？據美國《外交》雙月刊網站最近報道：美國國家工程院（NAE）發表了題為《準備迎接4D打印革命》的文章。該文章的內容簡要如下：研究表明，數字化制造的真正前途在于第四度空間——打印根據編程隨時間而變化的物體。3D物體是靜態的，需要人工控制，而4D物體能夠自動對環境作出反應，自行組裝、修補或變形。

NAE文章指出，4D技術領域的進步將更多地依賴材料本身，而非打印技術。與3D打印技術不同，4D打印技術使用的打印材料并不是傳統意義上的粉末狀金屬或者塑料，它使用的是一種變形材料。人們只需要通過電腦將所需要的物體的模型和時間設定完成，不需要借助打印機，變形材料會在用戶設定的時間內自動變形成為用戶剛剛設定完成的形狀。

4D打印技術是一項具有革命意義的打印技術，目前這項技術由美國麻省理工學院（MIT）與Stratasys教育研發部門共同開發。在MIT，建筑師斯凱拉·蒂比茨將一種新穎的吸水纖維材料用于3D打印機，制造出了一種線狀物體，該物體被放入水中時，能改變形狀組成字母“MIT”。這是通過將吸水聚合纖維與堿性無機纖維相結合來實現這一效果的。

該文章認為4D打印結合了各種技術、方法和學科，具有廣闊的制造應用前景。例如，4D打印可以用于長期受成本高昂、功能優異等因素困擾的特種服裝系列。利用可編程的材料，每件服裝都能適應變化的環境，通過擴大或縮小來調整合身度和舒適性。這種服裝甚至還能在受損時自行修復或在報廢時分解。美國陸軍已經開始利用4D打印技術，研發用于軍隊服裝的新裝備。

三、全球第一件“4D裙”

盡管4D打印技術出現的時間還非常短，但這并不影響它的發展。作為一種全新的制造方式，3D打印服裝的確正在給傳統的服裝制造業帶來深遠的影響。這不，美國麻省科技設計公司神經系統研發小組近日研發出一種利用4D打印技術，制造彈性貼身布料，并打印出了全球第一件“4D裙”。

該裙子就解決了不合身的問題，并且會根據穿戴者的體型情況進行自我改變。更神奇的是還可以自動變化造型，這或許正是女性衣柜里缺的那件衣服。而制作該裙子的面料纖維由2279個三角形和3316個連接點相扣而成，三角形與連接點之間的拉力，可隨人體形態變化，即使變胖或變瘦，4D裙也不會不合身。

這條裙子在打印機內部所需要的空間比打印普通3D模型要大很多，但是技術人員仍然很完整的打印出了整條裙子。同時，研發人員還用4D打印技術打印出了一系列與這條裙子搭配的圍巾、脖飾、胸花、腰帶與珠寶首飾等，而這些首飾毫無疑問的也是可以根據人體結構而自動變形的。

該神經系統研發小組所采用的4D打印材料采用的是“選擇性激光燒結技術”，是利用激光束燒結尼龍粉末材料制造原型，激光束不會燒結三角形與連接點之間的粉末，未被燒結的粉末于打印后掉出來，形成環環相扣的預設形狀的纖維縷空裙，每條裙造價則達1900英鎊，而這價格絲毫不影響女性對它的親睞。

智慧材料的開發應用

除了設備本身的制約之外，4D打印服裝所面臨的首要問題是對智慧型打印材料的需求，因為比較于3D打印而言，4D打印對所需材料的要求更高。

首先，4D打印所需要的并非一般的普通材料，而是帶有記憶功能的智能材料，是一種能感知外部刺激，并能夠通過判斷而進行自我變形、組裝的新型功能材料。

其次，該材料不僅具備3D打印材料的那種可打印性，還要具有傳感功能、反饋功能、信息識別與積累功能、響應功能、自我變形能力、自我組裝能力、自我診斷能力、自我修復能力和超強適應能力，以及快速響應的變形、組裝能力。

再就是4D打印服裝的材料不僅能夠具備“時間”的認知，還需要具備感應介質催化而觸發自我組裝的特定性能，而且催化介質不一定只能是水；伴隨著新產業科技的進步和4D打印服裝技術的發展，根據不同的打印材料，勢必將借助于光、聲、熱、水、氣、溫度、震動或電子觸發等任意催化介質，實現對多種類材質面料適用的自我變形的介質觸發效果。因此對4D打印服裝的材質面料的開發和應用，將成為創業者們重要的方向和道路選擇。

哈佛大學工程應用科學院和威斯生物工程研究所的科學家們一直在努力進行微型4D打印技術的研發。該研究團隊受暴露在外界刺激而隨著時間改變的植物的啟發，開發出由兩種特殊纖維復合的水凝膠物，將其浸泡于水中后，便會自動變形生成可預見的形狀。該研究團隊的負責人珍妮佛·A·劉易斯表示：“這項工作證明了通過多學科方法使可編程材料組裝變為可能。目前我們的4D打印材料研究已經超過了結合形勢和功能的階段，進入了構建可變形結構階段。”舉個例子，設想你將一小塊面料扔進水里，你看到的并非是一小塊濕面料沉入水底，而是自動變形成一件造型完美的短褲沉入水底。

而美國弗吉尼亞理工大學的威廉姆研究小組又向前邁進一步，他們將4D打印同納米材料結合在一起。在打印出的物體中嵌入納米材料，就可以制造出能在電磁波（可見光和紫外光）的作用下改變屬性的多功能納米復合材料。例如，利用會在不同光照條件下改變顏色的嵌入式納米材料，在這類新材料的基礎上，該研究小組開發出了植入傳感器的全新恤衫、胸罩和襯衫，用于測量血壓、胰島素水平和其他健康醫學指標的極限數值。

4D打印除制造一些智能服裝和可穿戴式保健用品等可編程物體外，還可以用于制造能根據外界環境及人體體征來調節溫度的新型作戰服。最近，美國海軍部投入了近千萬美元，資助一項使用4D打印制造動態偽裝軍服的研究。

4D打印服裝的變革優勢

隨著3D打印從概念轉入生活化，4D打印的發展步伐也在日益加快，市場藍圖已經徐徐打開。那么，在科技迅速發展的當下，4D打印作為傳統服裝制造業的變革方向和新技術創業者的契機，又具有哪些獨特的優勢呢？

優勢1：大幅降低制造成本。不論是現代制造技術，還是基于工業4.0、中國制造2025的新制造技術，對于生產復雜或者個性訂制服飾產品來說，無論是制作還是加工成本都是偏高的，甚至還會隨著部件的復雜程度同比例上漲。而在4D打印技術支持下的服飾產品制造，部件與產品本身結構的難易程度將變得不再重要，因為通過對整體產品不同飾件進行的一體化打印以及可變形自組裝將讓組裝成本化整為零，最大限度地降低服飾產品的生產制造成本。

優勢2：個性化訂制成本不變。在當前的制造技術與環境下，小批量訂制服飾的成本還是處于一個比較高的位置，更別說私人訂制，其成本或許要以藝術品的角度來看待。隨著4D打印技術的介入，私人訂制的成本將與傳統的批量化制造畫等號，甚至更加低廉。因為在傳統服裝制造中被認為是很復雜的結構、工藝，到了4D打印面前，都將變得簡單化，尤其是成本不會受部件的復雜程度而波動。

優勢3：取代人力加工成本。4D打印的產品部件將不再需要廠家或用戶自行加工。廠商根據用戶的需要，將所制造的服裝產品運送到指定地點放置好后，用戶在需要的時候直接給予介質觸發，打印物就會實現自動組裝，這就取代了當前依賴于人力進行加工或拆解的方式，人力成本也將由此得到釋放。

優勢4：放大創意空間。對于很多服裝設計師而言，最痛苦的就是創意很豐滿，現實制造卻難如意，也很骨感。而4D打印技術可以毫不夸張地說，但凡設計師能描繪出來的創意構想，都能不折不扣地得到實現，真正做到讓創意設計的價值獲得充分實現。

優勢5：降低制造專業性。當前的服裝制造不論是簡單或復雜，都在一定程度上對生產工人提出了專業和熟練要求，尤其是一些專業性要求高的制服領域，其對于工人的專業技能和熟練程度都提出了較高的要求；而且技術的培養都需要經過多年的訓練和沉淀，中間還存在所培養技術人才流失的較大風險。4D打印技術的應用，大大降低了對于復雜制造服飾的專業技能要求，并且可以幫助我們承擔相當部分的“高難度”工藝制作，從而有效降低服裝制造的專業門檻和人才流失風險。

優勢6：有效簡化制造環節。大部分的服裝成品通常都是由多個零部件組裝而成的，而不同零部件則需要不同的設備為其配套制造。所以對于廠家來說，這不僅占據了較大的場地空間，投入成本也是水漲船高。4D打印技術則全然不同，它只需一臺打印機，根據不同的材料以及用戶所設定的不同服裝部件與飾件形態直接打印不同的部件或整體產品。若是部飾件打印，則可以通過自我驅動組裝。

優勢7：不良率將成為過去式。傳統服裝制造企業最常規的生產制造考核指標就是對不良產品生產率的控制，這也是決定著企業經濟效益的關鍵指標。在4D打印時代，不良率這個名詞在生產制造過程中或將走向歷史的終結，而決定著產品能否滿足用戶需求的關鍵將被轉移至設計端。也就是說未來決定服裝成品是否合格的關鍵要素不再是制造環節，而是設計環節，由服裝設計師決定。

優勢8：零庫存的生產方式。對于生產制造服裝企業來說，所有的商品即是資產，同樣也是其資金成本的核心部分，一旦銷售周轉放緩將直接導致資金周轉率降低，進而影響利潤。通過4D打印進行的服裝制造將有效緩解這個問題。廠家根據消費者的想法隨時提供服裝設計、打印制造的服務，做到“即買即造、即造即銷”，真正取代傳統的庫存銷售方式。

優勢9：減少資源環境的破壞與浪費。傳統的服裝生產過程往往是浪費和骯臟的。在許多方面，4D打印服裝將會減輕浪費和碳排放。

比如4D打印制作服裝只借助于光、聲、熱、水、氣、溫等觸發介質，而不需要各種復雜繁重的機械與設備；又如4D打印只使用構成產品的材料，極大地提高了原材料的利用率，大大減少材料浪費。特別是在傳統服裝產業中，很多產品與材料往往要經過長途跋涉才能到達消費者手中。隨著4D打印的普及，生產和裝配可以在當地或個人身邊進行。只有原材料才是唯一需要運輸的東西，而且它們占用更少的運輸空間。所以大大減輕了服裝開發商、生產商與銷售商們技術服務的壓力。

優勢10：材料無限組合。對于當今的制造技術來說，將不同原材料結合成單一產品是件比較困難的事情，因為傳統的服裝制造機器在紡織或成型過程中不能輕易地將多種原材料融合在一起。盡管多種材料的混合注塑在一些領域已經被應用，但其成本與不良率都相對較高。4D打印技術的出現將讓這一現象得到改變，在4D打印過程中，我們可以將多種不同材料通過同一臺設備進行混合打印，不論是聚合物類、生物質類或是其他的合成纖維，這也意味著在不久的將來一件完整的多功能可變形服裝將直接通過4D打印的方式生產制造出來。

4D打印服裝發展前景

4D打印所追求的是讓材料以編程模擬的方式，隨著預定時間的遷移，自我進行并完成自動形變的新一代工藝技術。展望未來，4D打印是以智能化、自能化為基礎，以個性化、時間流程為特征，實現直接制造、現場制造和批量定制的新型制造方式。其未來巨大潛力的生長點表現在：與生物工程的結合，與智能藝術的結合，與消費者個性的直接結合。從市場角度分析，由于人們生活水平的提高與生活方式的改善，多種形式的娛樂與休閑、運動與健身健美等服裝消費水平將不斷提升；其市場發展前景樂觀，潛力可觀。所以，4D打印技術將會對服裝產業、消費者、市場形態和全球經濟產生以下發展動向：

第一動向是開創私人定制新時代。在現在這個所有日常用品都是批量生產的時代，人們都感覺個人定制是非常重要的，基于每個人的體形與腳型都是獨特的，定制服裝與鞋帽就顯得格外重要。如果未來每個人都可以通過4D打印技術定制完全貼身的服裝與合腳的鞋款，并且將其用于生產，那么服裝與鞋帽的設計理念、產業模式與市場形態都可以完全改變，這是時裝產業跨時代的變革。

其次，4D打印服裝將改變整個商業生態。盡管目前4D 打印還只是處于概念階段，并且能夠支撐或者說具備時間認知能力的材料還很少，但科技的發展在出現苗頭后總會以驚人的深度裂變。如果說3D 打印改變的是制造業生態；那么4D 打印改變的將是整個商業生態。未來，當我們擁有一臺4D 打印機，在家里或是特定的地方打印幾層材料，再通過特定介質觸發，過一會兒，一件豪華鐘意的婚禮服或一件繁花似錦的針織毛衣就自動組裝好并呈現在眼前，我們不再需要親自動手組裝。因此4D打印所帶來的不僅是材料的革命，更是商業生態的革命。

另一動向是無限目標導向設計。4D技術允許打印服裝及其飾件應用無限復雜的幾何智能材料，因此可能成為人類有利的限制因素。目前，計算機輔助設計（CAD）工具用于手動創建文檔和分析設計。開始你要有明確的目標因素，如力度、重量、耐久性和計算機生成上百的設計的可能，根據目標導向為不同的目標推薦最好的設計。結合4D的時間維度可以打印的無限形狀和材料以及強大的計算機設計，沒有人可以想象，在將來最好的服裝設計師不是想出最好設計的人，而是懂得計算機無限目標導向4D時間維度設計的人。

4D打印服裝的發展還將創建新的藝術媒介。“藝術創客”運動正在變得越來越小眾，而藝術服裝與服裝藝術也在借助高新科技顛覆傳統的設計藝術與制作工藝，創建新的藝術媒介。新興的4D打印技術正在被用來創造與創建一種新的現代服裝藝術形式，特別是用于造型奇詭、風格獨特的時新異彩服飾的制作，這類服飾的制作成本通常比較高昂，工期長難度大，但是4D打印技術卻可以輕而易舉解決這個問題。

作為一種全新的制造方式，4D打印服裝將給傳統的服裝市場更為深遠的影響。據全球市場研究公司Marketsand Markets發布的報告顯示，先進的3D和4D技術，如3D打印、3D成像和計算機輔助設計、4D打印、4D現實設計軟件等將推動3D和4D技術在2022年預計達到3141.7億美元。這將是令人難以置信的數值，在2016到2022年期間，其年復合增長率接近17%。有很多行業來推動這個市場的擴張，包括服裝和鞋類產業和產品市場都是推動4D打印發展的基礎。另據咨詢公司Wohlers Associates 的預計，未來5～10 年全球快速成型市場將繼續以年均20%的速度膨脹，預計至2024 年，4D打印服裝市場規模可達500～1000億美元的總量。