4D 打印何時能走出實(shí)驗(yàn)室，獲得真正的應(yīng)用？

研究人員預(yù)計(jì)，4D 打印技術(shù)將在醫(yī)療保健、汽車、航空航天和消費(fèi)行業(yè)具有巨大的應(yīng)用潛力，那么4D打印是什么，現(xiàn)狀如何，何時能獲得真正的應(yīng)用？

Gutenberg印刷機(jī)徹底改變了文字的復(fù)制方式，將二維打印帶入世界，極大地提高了信息的可訪問性。從第一臺打印(印刷)機(jī)到今天的噴墨和激光噴射技術(shù)，打印已成為我們社會日常功能中不可或缺的一部分，現(xiàn)在，另一個維度出現(xiàn)了。Gutenberg時代后的幾個世紀(jì)里，Hull and Crump為打印功能增加了第三個維度，分別發(fā)明了立體光刻 (SLA) 和熔融沉積成型 (FDM)，引入了三維打印，這些過程現(xiàn)在被稱為“3D 打印。如今，4D 打印包含了另一個維度：時間。


△幾何復(fù)雜物體的生長（生長時間：60 分鐘）

那么什么是4D打印呢？成功需要哪些硬件、軟件和材料？讓南極熊為你揭開神秘面紗：

增材制造的維度   

3D打印

“3D 打印”一詞是 ASTM 認(rèn)可的七種技術(shù)的統(tǒng)稱，包括：
●立體光刻
●熔融沉積成型
●沉積能量沉積
●粉床熔融
●材料噴射
●粘合劑噴射
●片材層壓

這些大類中的每一個都包含多個內(nèi)容。例如，根據(jù) ASTM 的定義，SLA 包含在“大桶光聚合”類別中，而 FDM（及其無商標(biāo)的熔絲制造技術(shù)，或 FFF）則被視為“材料擠出”技術(shù)。此外，PBF類別還充實(shí)了直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）、電子束熔化（EBM）、選擇性熱燒結(jié)（SHS）、選擇性激光熔化（SLM）和選擇性激光燒結(jié)（SLS）等工藝。

4D打印



4D 打印是一個全新的類別，無法歸入上述定義的范圍。4D 打印建立在其增材制造前身的基礎(chǔ)上，隨著時間的推移，根據(jù)設(shè)計(jì)，從打印機(jī)中打印出的部件會發(fā)生變化�！皶r間”的維度是松散定義的，因?yàn)殡S著時間的推移，不同的元素可能會引發(fā)轉(zhuǎn)變。熱、光、濕氣、磁鐵、物理應(yīng)力或其他元素變化會導(dǎo)致打印部件發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，從而根據(jù)不同的條件改變其形式和格式。

4D 打印物體在設(shè)計(jì)時就考慮到了變形。例如，可編程先進(jìn)材料可以展開、膨脹、收縮、自修復(fù)、自組裝、閉合或打開電路或以其他方式調(diào)整以適應(yīng)特定的刺激。

尺寸靈活改變
由于 4D 打印物體旨在改變形狀，因此它會以有計(jì)劃、受控的方式適應(yīng)不同的環(huán)境和刺激。零件的這種靈活性需要仔細(xì)的設(shè)計(jì)思維以及對計(jì)算折疊、形狀記憶材料和應(yīng)用要求等基本原理的清晰理解。 制造過程的每個步驟都必須經(jīng)過磨練和調(diào)整才能使 4D 打印發(fā)揮作用。


△在麻省理工學(xué)院、Stratasys 和 Autodesk 于 2014 年合作創(chuàng)作的作品中，4D 打印的平面設(shè)計(jì)在接觸到水后會自行形成八面體。

材料
鑒于 4D 打印的適應(yīng)性要求，這些過程需要使用智能材料。 4D 打印材料領(lǐng)域最重要是形狀記憶材料。從本質(zhì)上講，這些材料“記住”了它們的原始形狀，因此它們可以在響應(yīng)外部條件而重塑后恢復(fù)到原來的形狀。

從技術(shù)角度來說，Materials Today 2010 年發(fā)表的一篇論文(https://doi.org/10.1016/S1369-7021(10)70128-0)解釋道： “形狀記憶材料（SMM）的特點(diǎn)是在施加特定刺激時能夠從顯著且看似塑性的變形中恢復(fù)其原始形狀，這稱為形狀記憶效應(yīng)（SME）。在某些條件下也通常會觀察到超彈性（在合金中）或粘彈性（在聚合物中）。SME 可用于許多領(lǐng)域，從航空航天工程（例如，可展開結(jié)構(gòu)和變形機(jī)翼）到醫(yī)療設(shè)備（例如，支架和過濾器）�！�

形狀記憶效應(yīng)存在于聚合物、金屬、陶瓷和生物基材料中，使其適用于各種應(yīng)用。在過去的十年里，已經(jīng)開始更具體地適應(yīng)增材制造工藝，最初引入 4D 打印的概念用途廣泛歸功于麻省理工學(xué)院的研究。



2023 年 11 月發(fā)表在《Research》上的一篇最新論文（DOI：10.34133/research.0234），主要聚焦于 4D 打印應(yīng)用，文章開頭寫道： “形狀記憶聚合物（SMP）及其復(fù)合材料（SMPC）是智能材料，可以穩(wěn)定變形，然后在外部刺激下恢復(fù)到原始形狀，從而具有形狀記憶。通過添加時間作為第四維，4D 打印技術(shù)可以快速開發(fā)‘活的’適應(yīng)性結(jié)構(gòu)，從而為各個領(lǐng)域帶來增長機(jī)會�！�

這些材料的穩(wěn)定變形和可預(yù)測的重組是其自身的科學(xué)。麻省理工學(xué)院開始并在過去十年中在世界范圍內(nèi)持續(xù)進(jìn)行的開發(fā)將這些 SMM 與增材制造工藝相結(jié)合，制造出的零件不僅可以大于給定 3D 打印機(jī)的打印體積，而且可以在短期內(nèi)應(yīng)用于各種領(lǐng)域以及與適當(dāng)?shù)亩说蕉嗽O(shè)備套件結(jié)合使用的長期應(yīng)用。

當(dāng)然，其他材料——水凝膠、多材料、液晶彈性體、金屬、陶瓷和食用材料等，也在不斷使用和開發(fā)，4D 打印領(lǐng)域也在不斷發(fā)展。

軟件


△4D打印：食品打印的新方法；應(yīng)用食品研究中的“各種刺激對 4D 打印食品特性的影響”

為了實(shí)現(xiàn)可編程形狀改變功能，設(shè)計(jì)的零件必須簡單地進(jìn)行編程。這引入了 4D 打印的軟件組件來設(shè)計(jì)、模擬和編程對象，將草稿計(jì)劃轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓪?shí)現(xiàn)的組件。 由于最終所需零件的操作方式各不相同，有些展開成更大的表面積，有些變硬或軟化，有些改變顏色等等，所以它們的編程必須精確。 例如，計(jì)算設(shè)計(jì)是一門科學(xué)，它能夠生產(chǎn)出比 3D 打印機(jī)更大的幾何形狀的物體，并作為單個部件進(jìn)行打印。

如上圖所示，對食品 4D 打印的全面研究解釋了該過程的軟件階段： “有效的軟件解決方案是 4D 打印的一個重要因素，因?yàn)樗�能夠制造所需的產(chǎn)品。4D模型設(shè)計(jì)和打印過程涉及使用一系列軟件解決方案和管理軟件解決方案。它包括針對模擬、建模、切片器、主機(jī)/固件、監(jiān)控等五個階段中每個階段的一個解決方案和一個打印管理軟件。”

這五個階段在任何類型的增材制造中都很常見，尤其在 4D 打印中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。仿真將允許表示零件的數(shù)字孿生，以響應(yīng)預(yù)期的刺激參數(shù)，在生產(chǎn)前顯示打印前的預(yù)期真實(shí)性能。

硬件
4D 打印的“魔力”主要在于智能材料和編程到設(shè)計(jì)中的特定設(shè)計(jì)。任何增材制造（3D 或 4D 打�。┒夹枰�適當(dāng)?shù)挠布�。好消息是�?D 打印基本上與任何能夠處理給定 4D 設(shè)計(jì)所需的智能材料的 3D 打印機(jī)兼容。 材料擠出（FFF、FDM）和還原光聚合（SLA、DLP、LCD）3D 打印機(jī)是當(dāng)今 4D 打印中最常用的打印機(jī)�！盎�本上任何 3D 打印機(jī)和 3D 打印工藝都可以用于 4D 打印。

應(yīng)用


△Christian Albrecht Jensen 于 1840 年繪制的卡爾·弗里德里�！じ咚� (Carl Friedrich Gauss) 肖像。研究人員通過人工智能算法生成了 3D 表面。晶格不同層中的肋被編程為響應(yīng)溫度變化而生長和收縮，映射高斯面的曲線。

4D 打印的目標(biāo)應(yīng)用通常與 3D 打印的目標(biāo)應(yīng)用一致，超越了三維的限制。很難想象有人在不熟悉 3D 打印的情況下轉(zhuǎn)向 4D。迄今為止，大多數(shù) 4D 打印應(yīng)用仍然只是概念驗(yàn)證，未離開過實(shí)驗(yàn)室。

4D 打印越來越受到關(guān)注和關(guān)注的一些應(yīng)用包括：
●自修復(fù)/自組裝物品
●軟機(jī)器人
●柔性電子產(chǎn)品
●傳感器
●智能紡織品
●航天
●生物打印
●傷口愈合
●食物

4D 打印正在興起
作為當(dāng)今最先進(jìn)的制造手段之一，4D 打印受到嚴(yán)格審查和研發(fā)投資。憑借生產(chǎn)自我改變的零件和產(chǎn)品的能力，我們可以期待4D打印的崛起。 不過，4D 打印何時、如何以及總體而言是否走出研發(fā)實(shí)驗(yàn)室，在很大程度上仍有待觀察。尤其是轉(zhuǎn)化為具有更大規(guī)模生產(chǎn)能力的商業(yè)化，4D打印還有很長的路要走，才能實(shí)現(xiàn)成本和效益平衡。 我們生活在一個復(fù)雜的世界。解決當(dāng)今問題的高科技解決方案是有需求的、正在開發(fā)中并且正在路上。4D 打印為先進(jìn)制造提供了新的維度來抓住這些機(jī)遇。