从堆栈到自变：3D 到 4D 打印的奇妙进化

来源：交大情机械梦

增材制造技术是一种通过逐层堆积材料、直接根据数字模型制造三维实体的技术。其核心原理是将三维设计文件（如CAD模型）切片为薄层，通过激光、喷头或其他能量源逐层固化或熔融材料（如金属粉末、光敏树脂、塑料等），最终堆叠成完整物体，实现产品轻量化、定制化，材料利用率高达98%以上。

图1 增材制造的各类物品

增材制造的原理步骤
数字化建模与验证
首先通过CAD软件（Solidworks、Blender等）构建三维实体模型，需要确保模型为闭合曲面，以生成明确的封闭容积。这一要求保障了分层切片时每层截面均为闭合曲线，是增材制造的关键前提。

图2 三维实体CAD软件建模

模型文件格式转换
进行模型文件格式转换的目的是将三维模型从CAD软件中的“设计语言”转换为3D打印机可识别的“制造语言”。
STL（立体光刻）格式是最常见的文件格式，受到几乎所有3D打印软件和硬件支持，其利用大量三角形网格近似表面，转换稳定适合后续切片处理。

分层切片与G代码生成
切片软件（Cura、PrusaSlicer等）将模型切割为薄层，并生成G代码，记录每一层的路径、挤出速度、移动指令等。同时，用户可设置层厚、填充率、支撑结构、打印速度等参数，影响制造精度与耗时。

逐层打印成型
打印机根据G代码指令控制喷头或激光等执行器，一层层地沉积材料，每一层都附着在前一层之上，最终形成完整的三维结构。

主流增材制造技术
当前增材制造中常见的材料固化方式有三种：材料挤出——热塑性材料通过喷嘴熔融沉积（FDM）；光聚合——紫外激光（SLA）或投影（DLP）选择性固化液态树脂；粉末熔融——激光或电子束烧结金属/尼龙粉末（如SLS、EBM）。

熔融沉积成型（FDM）

图3 熔融沉积3D打印机结构

FDM 技术以其较低的成本和操作的便捷性成为最普及的增材制造技术之一。该技术将热塑性塑料丝材通过喷头加热熔化，然后按照预设的路径挤出并逐层堆积成型。由于其成型原理和材料特性，FDM 技术的精度相对较低，一般精度在 ±0.2mm~±0.5mm 之间，但足以满足大部分原型制作的需求。

光固化类

图4 光固化3D打印机结构

SLA（立体光固化成型）和 DLP（数字光处理）均基于紫外光源固化液态树脂的原理。SLA 通过激光逐点扫描液态树脂，使树脂发生光聚合反应逐层固化；DLP 则利用数字投影技术，将整个截面的图案以面曝光的形式一次性固化。二者都能实现极高的成型精度，通常可达 ±0.1mm，部分高端设备甚至能达到更高精度。

粉末床熔融（PBF）
PBF 技术涵盖 SLS（选择性激光烧结）和 SLM（选择性激光熔化）。SLS 主要使用尼龙、陶瓷等粉末材料，通过激光选择性地烧结粉末层，未烧结的粉末在成型过程中起到支撑作用，无需额外添加支撑结构。

增材制造前沿应用
增材制造技术近年来发展迅速，不仅在传统行业中应用广泛，而且在许多前沿领域展现出巨大的潜力。

在医疗领域，可以利用患者的医学影像数据定制个性化的假体、关节或牙科植入物。或是通过打印活细胞和生物材料，制造出具有生物功能的组织模型，为器官移植、药物测试等领域提供新的解决方案。

图5 3D打印的脊椎骨

在航空航天领域，使用3D打印技术能够制造出复杂几何形状的零件，减少材料的浪费，同时提高结构的强度和耐用性。诸如发动机组件、机翼支撑部件、复杂管路系统等都可以通过增材制造技术来生产。

图6 通用电气航空航天公司生产的功能性

3D打印喷气发动机零件[1]

在建筑领域，通过大型3D打印机使用混凝土等材料进行建筑的快速构建，已经成为未来建筑的一种趋势。无论是小型住宅还是大型公共设施，增材制造可以极大提高施工效率，减少建筑浪费和人力成本。

图7 华创智造HC1018(V型)智能建筑3D打印机器人

打印建筑模板成品[2]

3D→4D：静态到动态
4D打印是在3D打印的基础上，引入“时间”维度，通过智能材料和可编程结构，使打印件在环境刺激（如温度、湿度、光照、pH等）下发生预设的形状或功能变化。

图8 不同打印维度示意图[3]

Kuang等在其综述中也总结了如图9所示的一些4D打印对外界刺激的反应情况。图 9(a)展示了图案化薄片在加热去离子水（高于聚 N - 异丙基丙烯酰胺脱水温度）及氯化钠水溶液中可进行平面与螺旋形态的可逆转变，且螺旋形态随与薄片长轴角度变化而改变。图9(b)是打印的复合水凝胶薄片含刺激响应性铰链，其可逆转变为立方体盒子，呈现由水合作用和温度变化引发的折叠 - 展开行为。图 9(c)表示了由聚富马酸丙二醇酯片段和刺激响应性的聚（N - 异丙基丙烯酰胺 - 丙烯酸）铰链制成的抓取器，高于 32℃时抓取器闭合，可在低温引入体内时抓取组织，且抓取器孔隙可用于药物持续释放 。

图9 4D打印动态行为功能[4]

由此可见，4D打印让物体从“静止”走向“进化”——材料不再是被动的承载体，而是具有感知、响应、适应环境的主动“生命”。

联想至自然界中海葵遇触收缩、松果遇湿闭合等类似的“刺激-响应”机制，4D打印不仅可以模仿这些生物行为，甚至还能在一个结构中集成多种刺激响应机制，实现多轴、多阶段、自我进化式行为。

结语
随着3D打印技术的飞速发展，制造业正在迎来前所未有的变革。从快速原型到小批量定制，3D打印在多个行业中展现了巨大的潜力。然而，这一技术的局限性也逐渐显现，特别是在结构的动态变化与智能响应方面。

4D打印作为3D打印的“进阶版”，正站在新时代的风口浪尖。通过引入时间维度和智能材料，4D打印不仅能够赋予物体“变化的能力”，还能让物体在环境变化中自适应调整形态，实现更高效的制造与应用。

未来的3D和4D打印也将不是孤立发展的技术，它们将在制造业、医疗、环境保护等多个领域实现深度融合，推动“个性化定制”和“智能制造”的新纪元。我们可以预见，在不久的将来，4D打印将成为更加成熟的技术平台，推动整个行业进入一个更加灵活、智能、绿色的制造时代。

图片来源：

[1] https://3dprintingindustry.com/n ... investment-228977/;

[2] www.ciicchina.com;

[3] https://caddcentre.com/blog/4d-printing-technology/;

[4] Kuang X, Roach D J, Wu J, et al. Advances in 4D printing: materials and applications[J]. Advanced Functional Materials, 2019, 29(2): 1805290.