4D打印技術在產品設計領域的應用綜述

韓鎧?孫明陽

摘 要：4D打印技術是在3D技術基礎上引入時間維度，發展起來的升級版技術手段。它是在時間的作用下，結合3D打印而成的時代產物;各方面數據都領先時代科技，并向多種復合材料打印速度精準呈現快速的方向發展。本文對4D打印技術展開描述，總結4D打印技術在產品設計中的應用及未來的發展趨勢。

關鍵詞：4D打印技術;生物打印;形狀記憶

0 引言

4D打印是使用可編程材質作為打印材料，通過3D打印的方式打印出三維的物品，該物體會隨著周圍的環境發生變化。與傳統的制造方式相比，4D打印還具有一些特性，例如，可以直接將編程的材料運用到打印中，使物體可以隨環境的變化而變化，形態便實現了模型的自由變化。同時，4D打印也大大降低了使用成本，能激發設計師新的想象，設計出更富有功能性的作品，最后通過編程將物體的數字文件發布到世界各個角落。

1 4D打印技術發展歷史及現狀

在2013年的TED演講中，Tibbits首次引入了4D打印這個術語，即靜態3D打印的物體會隨著時間的推移改變形狀。之后不久，發表了第一篇關于4D打印的研究論文，論文使用了打印活性復合材料（PACs）的概念，即打印的紙張可以通過形狀記憶效應（shape memory effect，SME）轉化為復雜的構型。此后，4D打印備受媒體、智能材料界以及3D打印研究領域關注。4D打印最初定義為3D打印+時間，這個第四維度就是時間，但這個概念在過去幾年已經有了發展。當今，4D打印的一個流行定義是，當3D打印結構暴露在預定的刺激下時，如熱、水、光、pH，其形狀、屬性和功能會隨著時間的推移而變化。4D打印能夠使物體的功能性更加豐富。3D打印技術僅僅能設計出靜態模式下的產品，4D打印是3D打印與刺激響應材料結合而成的一種新技術。它受外界的刺激，借助3D數字模型文件，能夠設計出可動態的結構。4D打印中的材料是一種智能的自適應材料，不需要任何的外界設備，在環境的影響下得到理想中的形態，是不同應用的需求。4D打印突破傳統制造物方式，發展迅速，更加智能、高效。

至4D打印出現以來，其備受世界關注。4D打印技術在AI、包裝設計、機械、超材料、生物醫學和生物醫學工程等領域有著廣泛的應用前景。2013年，麻省理工學院實驗室對4D打印開展深入的研究，最終成功將一根繩子放入冷水中，其自然形成了MIT字樣（麻省理工學院的英文縮寫）。2014年又實現了形態轉換自行拼裝。2015年，該實驗室又設計出世界上第一雙4D打印鞋子，可以適應不同人群的腳的大小。2015年，新加坡科技大學開發出一種高分子形狀記憶材料，與其他打印材料有著不同的性質，它能隨溫度的變化而變化。2016年，德國汽車廠商寶馬公司將4D打印應用于汽車零部件的制造上，發揮了很出色的性能，在空氣動力學的研究上有很大的進步。

2 4D打印的材料屬性

目前，適用于4D打印的3D打印技術數量有限，最流行的4D打印形式是多噴墨打印和擠壓打印。多噴墨印刷使數字材料具有廣泛的可調機械性能的SMPs和復合材料。然而，聚噴印花存在設備成本高、樹脂性能要求嚴格、材料選擇有限等缺點。基于擠壓的打印方法更加通用，但是打印速度慢，分辨率相對較低，有時界面不好。現在，新型制造和3D打印技術在納米、微中宏觀層次上建造蜂窩結構，通常這些材料能很好地表現出機械功能和熱性能組合，被稱為超材料。作為一種具有特殊性質的人工材料——超材料，它是自然界中沒有的，質地堅硬，機械性能高，在生成后往往會很快定型。但是迄今為止，現在的4D打印技術缺乏對機械性能高的精確控制，它很緩慢。所以，加州大學有一群科學家提出了一個治理方案——FR M M，針對這個問題展開討論。在提出方案后，科學家們進行一一的實驗與檢測，也就是要得出這種特殊結構的材料，就要用一種稱為大投影面積微粒體光刻技術，通過這種技術用液態樹脂形成一層表面，再放入液體中，逐層打印，生成三維物體。另外，科學家們還創造了一種新的制作流程，可以進一步展開對它的研究，FR M M最終能被應用到4D打印技術中。

形狀記憶高分子（Shape Memory Polymer，SMP）材料，是指其在一定的條件下可以改變自身形態，同時又可恢復成最終形態。高分子的形狀記憶功能具有特殊性，取決于內部結構。它在生產的時候留下最初的記憶形態，并始終保有記憶功能，既可以改變又可以恢復。這種變化反復使用多次，原理類似于現在的汽車座椅記憶功能，形狀記憶高分子材料分為熱感應SMP、電效感應型SMP、光致感應型SMP、化學感應型SMP。此外，SMP具有以下幾個特點：形狀記憶合金形變量低（10%以下），而SMP較高，SMP復原能力較低，并且具備單向記憶功能。1960年初，英國有一位科學家ACharlesby在一本著作中報道了金輻射交聯后的聚乙烯具有記憶效應，隨后被美國航空航天領域所應用。此外，中國長春應化所和西北核技術研究所等很多單位都有所研究和生產，使它成為21世紀重點發展的新型材料。

3 4D打印在產品設計中的應用

隨著智能機器人、量子計算、人類增強等新技術的出現，4D打印正處于創新研發階段，人們對4D打印的期望也會隨著時間的推移而增加。4D打印將需要10多年的時間才能成為主流。近些年，3D打印技術在各個領域已經應用得很廣泛，尤其是在產品設計方面更加凸顯出來它的優勢。4D打印技術在產品設計應用領域更為廣泛，它打破了傳統3D的格局，在時間材料方面遠遠優于3D Printing。4D打印的優越處在于能將外形改變成自己想要的，通過3D技術打印出來，并且不會有多余的部分;另外，4D打印也可以根據不同人的需求進行不同的變換，在這些方面是優于3D打印技術的。

3.1 在工業設計領域

在打印傳統工藝零件方面，4D打印的材料要比3D的更結實耐用，而且效率方面也遠遠超出了傳統工藝。在打印醫療器械方面，4D打印的時間比3D打印更為快速，精準度也更高。在打印家居方面，4D打印技術更高效的時間效率比傳統的3D打印創造出了更多的經濟價值，節省了相當一部分的勞動力。而在打印汽車方面，4D打印的材料更具有安全性和穩定性;同時，4D打印技術和車間生產可以做到完美的結合，這也算是一個創新性的飛躍。

3.2 在服裝設計領域

服裝產業具有悠遠的發展歷史，在女裝盛行的時代，麻省科技設計公司最近又研發了“全球第一4D打印裙子”。這個裙子的設計針對不同人群，解決大多數人存在的不合身的問題，它會根據試穿者的身材、比例，隨時都可以變化，即使變胖或變瘦，這款裙子還是依舊那么合身。

4 4D打印的未來發展及應用前景

4D打印的過程是減法，而不是加法，這個市場非常大，可編程材料將在整個4D打印的材料市場中占很大的份額。目前，最先進的4D打印技術是在德國的一家公司，這家公司叫作德國海德堡印刷機械股份有限公司，打印機叫作Jetmaster。在打印過程中，首先是想將機器人技術用來降低噴墨成本，偶然的發展成了4D打印技術。例如，美國的巨大品牌惠普（HP）也在研究4D打印技術，并成立了研發中心。但目前的問題是4D打印還不夠成熟，還停留在實驗階段。例如4D打印的椅子，它可以自由變形，但經不起后期的使用，存在磨損問題，所以技術上存在漏洞。4D打印需要眾多國家企業的支持，讓3D打印真正邁入4D時代是一個漫長又艱難的過程。盡管面臨諸多挑戰，4D打印的前景仍然樂觀，隨著大數據和人工智能等互補技術的出現，4D打印會更快地實現更好的預測和仿真。這將大大有助于環境（刺激）和類似反應的可預測性，加之不同學科的密切合作，對產品設計應用4D打印的潛力至關重要。

5 結語

未來，4D打印需要在各個領域進行跨學科的研究和技術進步，包括3D打印技術的硬件、智能材料的材料科學以及新穎的設計和建模工具。與智能金屬和陶瓷相比，智能聚合物具有刺激反應性多樣、變形能力大的優點。迄今為止，4D打印的重點是利用聚合物作為基礎材料，大多數4D打印涉及3D打印的變形材料和結構。變形的基本機理是直接使用智能材料在打印過程中或打印后，打印對象內產生局部特征應變（或失配應變）。需要注意的是，利用特征應變生成形狀變化的結構，在智能材料研究領域已經廣泛應用了很長一段時間。然而，許多設計是不能偽造的。從這個意義上說，4D打印極大地促進了智能材料和結構的研究。

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作者簡介：韓鎧（1995—），男，黑龍江人，本科，助教，研究方向：產品設計。

孫明陽（1977—），男，吉林人，研究生，講師，研究方向：產品設計。