淺談3D打印與4D打印技術(shù)

康劉陽，徐飛寧，朱燦一，黨磊磊

（長安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點實驗室，陜西西安710064）

專論綜述

淺談3D打印與4D打印技術(shù)

康劉陽，徐飛寧，朱燦一，黨磊磊

（長安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點實驗室，陜西西安710064）

3D打印技術(shù)與4D打印技術(shù)已經(jīng)成為新興技術(shù)的代表，引領(lǐng)著先進制造業(yè)不斷發(fā)展。分別對3D打印的定義和加工流程、技術(shù)類型、應(yīng)用以及4D打印的定義、材料、應(yīng)用進行較全面的介紹。事實表明，3D打印與4D打印技術(shù)具有其它加工技術(shù)無法比擬的優(yōu)點，本文對其發(fā)展前景指明了方向。

3D打?。?D打??；應(yīng)用

作為第三次工業(yè)革命縮影的3D打印技術(shù)，屬于快速成型技術(shù)的一種。從上世紀80年代問世以來，在諸多領(lǐng)域取得了突破性進展。而4D打印技術(shù)在3D打印的技術(shù)上應(yīng)運而生，使材料自我組裝，自我變形成為可能。無論3D打印還是4D打印，都將給未來社會帶來顛覆性的改變。

1　3D打印技術(shù)

1.13D打印技術(shù)的定義和加工流程

3D打印（3DP）是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。利用3D打印技術(shù)制造一件產(chǎn)品，通常需要三個步驟，分別是：三維建模、分層切片、疊加打?。?］。

（1）三維建模。3D打印首先要做的就是利用測量儀、掃描儀等工具或借助Pro/E、UG、Solidworks、3DMAX等軟件，將目標產(chǎn)品生產(chǎn)三維模型。

（2）分層切片。三維模型生成之后，就要用專門的分層軟件對模型進行分層切片處理，最后保存為STL格式文件。由于切片厚度越薄，打印產(chǎn)品越精細，同時所花費的打印時間也越長，所以應(yīng)根據(jù)目標產(chǎn)品的實際情況選擇合適的切片厚度。

（3）疊加打印。這個過程是3D打印過程中進行加工制造的過程。在該過程中，3D打印機識別上一步分層處理后的STL文件信息，將粉末、絲狀等不同類型的材料經(jīng)過粘結(jié)、熔結(jié)等不同方式凝固后層層累積，最終形成目標產(chǎn)品。

1.23D打印的技術(shù)類型

常見的3D打印技術(shù)類型通常包括：熔融沉積技術(shù)（FDM）、光固成型技術(shù)（SLA）、三維粉末粘結(jié)（3DP）等技術(shù)。

（1）熔融沉積技術(shù)（FDM）技術(shù)的主要原理是：將絲狀材料加熱融化后，通過3D打印機噴頭噴出，沉積在前層已經(jīng)固化的材料上。該技術(shù)優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單、制造、加工成本較低、應(yīng)用范圍最廣。

（2）光固成型技術(shù)（SLA）技術(shù)的主要原理是：采用激光或其他光源照射熱敏性材料，逐層固化。該技術(shù)優(yōu)點是：可制造機構(gòu)復(fù)雜的零件、加工精度高。

（3）三維粉末粘結(jié)（3DP）技術(shù)的主要原理是：在工作平面上鋪一層粉末材料，利用噴嘴噴出粘合劑是粉末材料粘結(jié)在一起，層層反復(fù)。該技術(shù)優(yōu)點是：可加工材料廣泛、產(chǎn)品種類繁多。

2　3D打印技術(shù)的應(yīng)用

2.1航空制造業(yè)

3D打印應(yīng)用于航空制造業(yè)中，由于運用3D打印技術(shù)生產(chǎn)零部件時可直接成型，所以能過簡化生產(chǎn)環(huán)節(jié)、縮短生產(chǎn)周期、加速航空制造業(yè)更新?lián)Q代的速度。

2.2機械制造業(yè)

3D打印機能夠?qū)?fù)雜的零件一次性打印出來，由此可提高零部件的穩(wěn)定性、可靠性以及集成度。這樣不僅簡化了加工工藝，擺脫了對加工設(shè)備的束縛，而且使設(shè)計加工更為復(fù)雜的零部件成為可能。

2.3汽車制造業(yè)

隨著世界上第一輛純3D打印的混合動力車——Urbee以及世界上第一輛3D打印賽車——Arion的問世，3D打印技術(shù)在汽車制造業(yè)越來越占據(jù)著舉足輕重的地位。3D打印技術(shù)除了能大大提高生產(chǎn)效率以外，還能使汽車的發(fā)動機性能、外觀造型、內(nèi)飾設(shè)計等方面產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。

2.4建筑施工

3D打印技術(shù)應(yīng)用于建筑施工，不僅可以在不到一天的時間里打印出一套房子，而且很難用人力制造的獨特外觀，可由3D打印機輕松完成。3D打印使用的是由砂漿、玻璃纖維等組合而成的可粘合材料。這種復(fù)合材料相比水泥而言，其強度、韌度都有所提升。

2.5醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

用細胞打印人體器官、定制個性化醫(yī)療器械、設(shè)計更為精準的治療方案、制作體外醫(yī)學(xué)模型等，3D打印技術(shù)不斷推動著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展［2］。

2.6家居生活

3D打印技術(shù)應(yīng)用于服裝設(shè)計行業(yè)，能夠簡化剪裁工藝，突破傳統(tǒng)剪裁方法，實現(xiàn)服裝設(shè)計“個性化”；應(yīng)用于食品加工行業(yè)，可使食物加工更為快捷，食品保質(zhì)期延長，食品原材料更為多樣化。毫無疑問，3D打印技術(shù)在各個領(lǐng)域如火如荼地發(fā)展著，但是，更為智能的4D打印已嶄露頭角。

3　4D打印技術(shù)

3.14D打印的概念

何為4D打??？麻省理工學(xué)院（MIT）的研究員斯凱勒·帝比茨通過一個實驗，向我們展示了這種新一代打印技術(shù)。

在演示中，他將一段繩狀物放入水中，該物體能自動折成MIT字樣的立體結(jié)構(gòu)。4D打印就是在3D打印的基礎(chǔ)上增加了時間維度T，是可編程材料實現(xiàn)自我構(gòu)建和重組裝的技術(shù)。正如斯凱勒·帝比茨所言：“4D打印技術(shù)就是把智慧植入到材料中去”。

3.24D打印材料

4D打印技術(shù)的關(guān)鍵是智能材料。智能材料結(jié)構(gòu)又稱機敏結(jié)構(gòu)，在外界環(huán)境的刺激下，如水、光、電磁場等，智能材料結(jié)構(gòu)可將傳感、控制和驅(qū)動三種功能集于一身，能夠完成相應(yīng)的反應(yīng)［3］。目前國內(nèi)外研究比較成熟的智能材料有EPA（電活性聚合物材料）、SMM（形狀記憶材料）等。

3.34D打印的應(yīng)用

在航空航天領(lǐng)域，使用4D打印技術(shù)制造的飛機，不再懼怕炮彈的襲擊，因為受損傷的部件可自動延展生成新的部件；衛(wèi)星發(fā)射不用耗費大量燃料將龐大設(shè)備送入太空，只需要將打印好的材料送入太空即可，到達預(yù)定軌道后自動組裝成衛(wèi)星。

在機械制造領(lǐng)域，只需用4D打印機打印好材料，在需要的時候自動組裝成所需要的機器，這樣不僅緩解了運輸壓力而且能夠省去人工裝配的時間與費用。

在家居生活方面，斷裂后自動修復(fù)的水管、根據(jù)自己體型變換尺寸的沙發(fā)、依據(jù)溫度變化自動調(diào)整布料厚薄的衣服等等，4D打印技術(shù)能為生活增添諸多便利。

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，4D打印材料能夠隨著血液流動，準確到達心臟預(yù)定部位，自動形成心臟支架；還可以打印出某種膠囊，遇到癌細胞就能觸發(fā)形變，實現(xiàn)點對點藥物釋放，從而將癌細胞消滅，毫無疑問，4D打印技術(shù)引領(lǐng)著新一輪的醫(yī)學(xué)革命。

4　結(jié)束語

3D打印技術(shù)已蓬勃發(fā)展20多年，而4D打印技術(shù)目前只處于概念階段。在3D、4D打印這個高科技領(lǐng)域，中國獲得了一個千載難逢的機會：一個可以與歐美國家平等競爭，同臺亮相的機會。我國的科技工作者們要把握機會，克服困難，使科技強國的中國夢得以實現(xiàn)。

［1］朱艷青，史繼富，王雷雷，等.3D打印技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀［J］.制造技術(shù)機床，2015，（12）:50-57.

［2］王慶大，李波.3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究進展［J］.重慶醫(yī)學(xué)，2016，45（1）:126-128.

［3］奚利飛，鄭俊萍，姚康德.智能材料的研究現(xiàn)狀及展望［J］.材料導(dǎo)報，2003，（1）:235-237.

Discussion on 3D Printing and 4D Printing Technology

KANG Liu-yang，XU Fei-ning，ZHU Can-yi，DANG Lei-lei
（Key Laboratory of Road Construction Technology and Equipment of the Ministry of Education，Chang'an University，Xi'an Shaanxi710064，China）

3D printing technology and 4D printing technology have become the representative of emerging technologies，which lead the development of advanced manufacturing industry.This paper conducts a comprehensive introduction about the definition，processing process，technology type，materials and applications of 3D printing and the definition，materials and applications of 4D printing.Facts show that 3D printing and 4D printing technology has the advantages which other processing technology can notmatch，this paper points out the direction of its development.

3D printing；4D printing；applications

TP3

B

1672-545X（2016）05-0101-02

2016-02-20

康劉陽（1991-），男，河南禹州人，在讀碩士，主要從事機械制造及其自動化研究。