4D 打印何时能走出实验室，获得真正的应用？

研究人员预计，4D 打印技术将在医疗保健、汽车、航空航天和消费行业具有巨大的应用潜力，那么4D打印是什么，现状如何，何时能获得真正的应用？

Gutenberg印刷机彻底改变了文字的复制方式，将二维打印带入世界，极大地提高了信息的可访问性。从第一台打印(印刷)机到今天的喷墨和激光喷射技术，打印已成为我们社会日常功能中不可或缺的一部分，现在，另一个维度出现了。Gutenberg时代后的几个世纪里，Hull and Crump为打印功能增加了第三个维度，分别发明了立体光刻 (SLA) 和熔融沉积成型 (FDM)，引入了三维打印，这些过程现在被称为“3D 打印。如今，4D 打印包含了另一个维度：时间。


△几何复杂物体的生长（生长时间：60 分钟）

那么什么是4D打印呢？成功需要哪些硬件、软件和材料？让南极熊为你揭开神秘面纱：

增材制造的维度   

3D打印

“3D 打印”一词是 ASTM 认可的七种技术的统称，包括：
●立体光刻
●熔融沉积成型
●沉积能量沉积
●粉床熔融
●材料喷射
●粘合剂喷射
●片材层压

这些大类中的每一个都包含多个内容。例如，根据 ASTM 的定义，SLA 包含在“大桶光聚合”类别中，而 FDM（及其无商标的熔丝制造技术，或 FFF）则被视为“材料挤出”技术。此外，PBF类别还充实了直接金属激光烧结（DMLS）、电子束熔化（EBM）、选择性热烧结（SHS）、选择性激光熔化（SLM）和选择性激光烧结（SLS）等工艺。

4D打印



4D 打印是一个全新的类别，无法归入上述定义的范围。4D 打印建立在其增材制造前身的基础上，随着时间的推移，根据设计，从打印机中打印出的部件会发生变化。“时间”的维度是松散定义的，因为随着时间的推移，不同的元素可能会引发转变。热、光、湿气、磁铁、物理应力或其他元素变化会导致打印部件发生结构变化，从而根据不同的条件改变其形式和格式。

4D 打印物体在设计时就考虑到了变形。例如，可编程先进材料可以展开、膨胀、收缩、自修复、自组装、闭合或打开电路或以其他方式调整以适应特定的刺激。

尺寸灵活改变
由于 4D 打印物体旨在改变形状，因此它会以有计划、受控的方式适应不同的环境和刺激。零件的这种灵活性需要仔细的设计思维以及对计算折叠、形状记忆材料和应用要求等基本原理的清晰理解。 制造过程的每个步骤都必须经过磨练和调整才能使 4D 打印发挥作用。


△在麻省理工学院、Stratasys 和 Autodesk 于 2014 年合作创作的作品中，4D 打印的平面设计在接触到水后会自行形成八面体。

材料
鉴于 4D 打印的适应性要求，这些过程需要使用智能材料。 4D 打印材料领域最重要是形状记忆材料。从本质上讲，这些材料“记住”了它们的原始形状，因此它们可以在响应外部条件而重塑后恢复到原来的形状。

从技术角度来说，Materials Today 2010 年发表的一篇论文(https://doi.org/10.1016/S1369-7021(10)70128-0)解释道： “形状记忆材料（SMM）的特点是在施加特定刺激时能够从显着且看似塑性的变形中恢复其原始形状，这称为形状记忆效应（SME）。在某些条件下也通常会观察到超弹性（在合金中）或粘弹性（在聚合物中）。SME 可用于许多领域，从航空航天工程（例如，可展开结构和变形机翼）到医疗设备（例如，支架和过滤器）。”

形状记忆效应存在于聚合物、金属、陶瓷和生物基材料中，使其适用于各种应用。在过去的十年里，已经开始更具体地适应增材制造工艺，最初引入 4D 打印的概念用途广泛归功于麻省理工学院的研究。



2023 年 11 月发表在《Research》上的一篇最新论文（DOI：10.34133/research.0234），主要聚焦于 4D 打印应用，文章开头写道： “形状记忆聚合物（SMP）及其复合材料（SMPC）是智能材料，可以稳定变形，然后在外部刺激下恢复到原始形状，从而具有形状记忆。通过添加时间作为第四维，4D 打印技术可以快速开发‘活的’适应性结构，从而为各个领域带来增长机会。”

这些材料的稳定变形和可预测的重组是其自身的科学。麻省理工学院开始并在过去十年中在世界范围内持续进行的开发将这些 SMM 与增材制造工艺相结合，制造出的零件不仅可以大于给定 3D 打印机的打印体积，而且可以在短期内应用于各种领域以及与适当的端到端设备套件结合使用的长期应用。

当然，其他材料——水凝胶、多材料、液晶弹性体、金属、陶瓷和食用材料等，也在不断使用和开发，4D 打印领域也在不断发展。

软件


△4D打印：食品打印的新方法；应用食品研究中的“各种刺激对 4D 打印食品特性的影响”

为了实现可编程形状改变功能，设计的零件必须简单地进行编程。这引入了 4D 打印的软件组件来设计、模拟和编程对象，将草稿计划转变为可实现的组件。 由于最终所需零件的操作方式各不相同，有些展开成更大的表面积，有些变硬或软化，有些改变颜色等等，所以它们的编程必须精确。 例如，计算设计是一门科学，它能够生产出比 3D 打印机更大的几何形状的物体，并作为单个部件进行打印。

如上图所示，对食品 4D 打印的全面研究解释了该过程的软件阶段： “有效的软件解决方案是 4D 打印的一个重要因素，因为它能够制造所需的产品。4D模型设计和打印过程涉及使用一系列软件解决方案和管理软件解决方案。它包括针对模拟、建模、切片器、主机/固件、监控等五个阶段中每个阶段的一个解决方案和一个打印管理软件。”

这五个阶段在任何类型的增材制造中都很常见，尤其在 4D 打印中发挥着至关重要的作用。仿真将允许表示零件的数字孪生，以响应预期的刺激参数，在生产前显示打印前的预期真实性能。

硬件
4D 打印的“魔力”主要在于智能材料和编程到设计中的特定设计。任何增材制造（3D 或 4D 打印）都需要适当的硬件。好消息是，4D 打印基本上与任何能够处理给定 4D 设计所需的智能材料的 3D 打印机兼容。 材料挤出（FFF、FDM）和还原光聚合（SLA、DLP、LCD）3D 打印机是当今 4D 打印中最常用的打印机。“基本上任何 3D 打印机和 3D 打印工艺都可以用于 4D 打印。

应用


△Christian Albrecht Jensen 于 1840 年绘制的卡尔·弗里德里希·高斯 (Carl Friedrich Gauss) 肖像。研究人员通过人工智能算法生成了 3D 表面。晶格不同层中的肋被编程为响应温度变化而生长和收缩，映射高斯面的曲线。

4D 打印的目标应用通常与 3D 打印的目标应用一致，超越了三维的限制。很难想象有人在不熟悉 3D 打印的情况下转向 4D。迄今为止，大多数 4D 打印应用仍然只是概念验证，未离开过实验室。

4D 打印越来越受到关注和关注的一些应用包括：
●自修复/自组装物品
●软机器人
●柔性电子产品
●传感器
●智能纺织品
●航天
●生物打印
●伤口愈合
●食物

4D 打印正在兴起
作为当今最先进的制造手段之一，4D 打印受到严格审查和研发投资。凭借生产自我改变的零件和产品的能力，我们可以期待4D打印的崛起。 不过，4D 打印何时、如何以及总体而言是否走出研发实验室，在很大程度上仍有待观察。尤其是转化为具有更大规模生产能力的商业化，4D打印还有很长的路要走，才能实现成本和效益平衡。 我们生活在一个复杂的世界。解决当今问题的高科技解决方案是有需求的、正在开发中并且正在路上。4D 打印为先进制造提供了新的维度来抓住这些机遇。