4D 打印何時能走出實驗室，獲得真正的應用？

研究人員預計，4D 打印技術將在醫(yī)療保健、汽車、航空航天和消費行業(yè)具有巨大的應用潛力，那么4D打印是什么，現狀如何，何時能獲得真正的應用？

Gutenberg印刷機徹底改變了文字的復制方式，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)機到今天的噴墨和激光噴射技術，打印已成為我們社會日常功能中不可或缺的一部分，現在，另一個維度出現了。Gutenberg時代后的幾個世紀里，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 認可的七種技術的統(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容。例如，根據 ASTM 的定義，SLA 包含在“大桶光聚合”類別中，而 FDM（及其無商標的熔絲制造技術，或 FFF）則被視為“材料擠出”技術。此外，PBF類別還充實了直接金屬激光燒結（DMLS）、電子束熔化（EBM）、選擇性熱燒結（SHS）、選擇性激光熔化（SLM）和選擇性激光燒結（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上，隨著時間的推移，根據設計，從打印機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，因為隨著時間的推移，不同的元素可能會引發(fā)轉變。熱、光、濕氣、磁鐵、物理應力或其他元素變化會導致打印部件發(fā)生結構變化，從而根據不同的條件改變其形式和格式。

4D 打印物體在設計時就考慮到了變形。例如，可編程先進材料可以展開、膨脹、收縮、自修復、自組裝、閉合或打開電路或以其他方式調整以適應特定的刺激。

尺寸靈活改變
由于 4D 打印物體旨在改變形狀，因此它會以有計劃、受控的方式適應不同的環(huán)境和刺激。零件的這種靈活性需要仔細的設計思維以及對計算折疊、形狀記憶材料和應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過磨練和調整才能使 4D 打印發(fā)揮作用。


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

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

從技術角度來說，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其原始形狀，這稱為形狀記憶效應（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 可用于許多領域，從航空航天工程（例如，可展開結構和變形機翼）到醫(yī)療設備（例如，支架和過濾器）�！�

形狀記憶效應存在于聚合物、金屬、陶瓷和生物基材料中，使其適用于各種應用。在過去的十年里，已經開始更具體地適應增材制造工藝，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 打印應用，文章開頭寫道： “形狀記憶聚合物（SMP）及其復合材料（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 打印技術可以快速開發(fā)‘活的’適應性結構，從而為各個領域帶來增長機會�！�

這些材料的穩(wěn)定變形和可預測的重組是其自身的科學。麻省理工學院開始并在過去十年中在世界范圍內持續(xù)進行的開發(fā)將這些 SMM 與增材制造工藝相結合，制造出的零件不僅可以大于給定 3D 打印機的打印體積，而且可以在短期內應用于各種領域以及與適當的端到端設備套件結合使用的長期應用。

當然，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 打印領域也在不斷發(fā)展。

軟件


△4D打�。菏称反蛴〉男路椒�；應用食品研究中的“各種刺激對 4D 打印食品特性的影響”

為了實現可編程形狀改變功能，設計的零件必須簡單地進行編程。這引入了 4D 打印的軟件組件來設計、模擬和編程對象，將草稿計劃轉變?yōu)榭蓪崿F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，計算設計是一門科學，它能夠生產出比 3D 打印機更大的幾何形狀的物體，并作為單個部件進行打印。

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，因為它能夠制造所需的產品。4D模型設計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/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)揮著至關重要的作用。仿真將允許表示零件的數字孿生，以響應預期的刺激參數，在生產前顯示打印前的預期真實性能。

硬件
4D 打印的“魔力”主要在于智能材料和編程到設計中的特定設計。任何增材制造（3D 或 4D 打印）都需要適當的硬件。好消息是，4D 打印基本上與任何能夠處理給定 4D 設計所需的智能材料的 3D 打印機兼容。 材料擠出（FFF、FDM）和還原光聚合（SLA、DLP、LCD）3D 打印機是當今 4D 打印中最常用的打印機。“基本上任何 3D 打印機和 3D 打印工藝都可以用于 4D 打印。

應用


△Christian Albrecht Jensen 于 1840 年繪制的卡爾·弗里德里希·高斯 (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溫度變化而生長和收縮，映射高斯面的曲線。

4D 打印的目標應用通常與 3D 打印的目標應用一致，超越了三維的限制。很難想象有人在不熟悉 3D 打印的情況下轉向 4D。迄今為止，大多數 4D 打印應用仍然只是概念驗證，未離開過實驗室。

4D 打印越來越受到關注和關注的一些應用包括：
●自修復/自組裝物品
●軟機器人
●柔性電子產品
●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
作為當今最先進的制造手段之一，4D 打印受到嚴格審查和研發(fā)投資。憑借生產自我改變的零件和產品的能力，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)實驗室，在很大程度上仍有待觀察。尤其是轉化為具有更大規(guī)模生產能力的商業(yè)化，4D打印還有很長的路要走，才能實現成本和效益平衡。 我們生活在一個復雜的世界。解決當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 打印為先進制造提供了新的維度來抓住這些機遇。