4D打印技術(shù)開創(chuàng)“e制造”時代

王望　付云崗

我們身處在一個科技以指數(shù)趨勢更新?lián)Q代的世界，從現(xiàn)有技術(shù)跳躍到新一代技術(shù)所需的時間短之又短。當(dāng)“3D打印”被聊得熱火朝天的時候，研究專家們就已經(jīng)成功創(chuàng)造了下一代“4D打印”新技術(shù)，不得不承認(rèn)，科技進(jìn)步之神速總使我們嘆為觀止，驚奇不已，

4D打印技術(shù)的誕生

1 4D打印高調(diào)亮相于世

體現(xiàn)4D打印技術(shù)的最初思想是在2011年由Oxman等人提出的一種變量特性快速原型制造技術(shù)，這項技術(shù)根據(jù)材料的變形特性和不同材料的屬性，通過逐層鋪粉成型具有連續(xù)梯度的功能組件，成型件隨時間推移來實現(xiàn)自我變形。同年，Tibbits提出了材料自組裝的概念，進(jìn)而進(jìn)行了一系列探索性的試驗研究。這也是4D打印技術(shù)的雛形和基礎(chǔ)。

2013年，在美國加州舉辦TED（Technology，Entertainment，Design）大會上，來自麻省理工學(xué)院（MIT）的Skylar Tibbits首次公開演示了4D打印技術(shù)并解釋：4D打印技術(shù)就是“自我組裝”，即材料自動變形為預(yù)設(shè)的模型。4D打印技術(shù)的橫空出世，預(yù)示著4D打印正式開始啟動智能新時代。

2 4D打印比3D打印“酷炫”在哪？

①3D打印與4D打印技術(shù)概念的區(qū)別

3D打印是一種快速成型技術(shù)，它以數(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)。不難理解，3D指的是描述現(xiàn)實世界中幾何結(jié)構(gòu)尺寸的3個空間維度變量（x，y，z）。

所謂的4D打印技術(shù)，就是在傳統(tǒng)3D打印的概念基礎(chǔ)上增加了時間維度t（其中t應(yīng)理解成是廣義的，它是表征一切4D打印中的第4維材料中所隱含的可變參量的總代表）。也就是說，被打印物體可以隨著時間的推移而在形態(tài)上發(fā)生自我變形，核心是記憶合金，人們可通過軟件預(yù)設(shè)特定的模型和時間，變形材料就能在設(shè)定時間內(nèi)變成所需的形狀。3D打印和4D打印的區(qū)別可通過圖1中的立方體模型對比簡單來感受一下。

②3D打印與4D打印技術(shù)原理的區(qū)別

3D打印通常采用數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)來實現(xiàn)。Tibbits認(rèn)為，3D打印必須預(yù)先建模、掃描，之后使用物料打印出產(chǎn)品，而4D打印顛覆了這種先模擬后制造，或一邊建物一邊調(diào)整模擬效果的一般傳統(tǒng)意義上的造物過程，使快速建模發(fā)生了根本性的轉(zhuǎn)變。與3D打印的預(yù)先建模，掃描，再使用物料成形不同，4D打印直接將設(shè)計內(nèi)置到物料當(dāng)中，簡化了從“設(shè)計理念”到“實物”的造物過程。讓物體如機(jī)器般靈活地“自動”創(chuàng)造，而不需要連接其他任何復(fù)雜的機(jī)械電子裝備。

比起新興的4D打印技術(shù)，3D打印驟然望而卻步。4D打印技術(shù)“炫”就“炫”在生產(chǎn)的產(chǎn)品，不僅是立體的，而且還能隨時間的變化自動組裝成型，這是3D打印技術(shù)無法比擬的。

4D打印技術(shù)的核心

1 神奇的“變形金剛”材料

當(dāng)發(fā)展了30年之余的3D打印方興未艾，4D打印就已“蠢蠢欲動”。比起3D打印技術(shù)，4D打印更加智能化和個性化，但同時也對打印材料提出了更高的要求，需要使用到某些特殊材料。這些智能材料能自動響應(yīng)所接觸到的水，重力、溫度，氣體，磁性等外界變化，當(dāng)感知到不同的環(huán)境狀態(tài)時，可以通過自適應(yīng)，自編程來改變自身的形狀。例如，一條打印出來的管道能按照之前預(yù)設(shè)的模型，以水為活化能從而發(fā)生自動變形。由此可見，4D打印技術(shù)比3D打印多了一種超能力，即“變形”能力，想象一下，一個沒有依靠復(fù)雜電子機(jī)械設(shè)備而擁有像人類一般的行為的機(jī)器人，這是多么得不可思議?。?/p>

2 4D打印技術(shù)應(yīng)用之案例

近兩年，Tibbits一直在探索如何使用4D打印來制造不需要傳統(tǒng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的機(jī)器這個問題。在MIT自組裝實驗室里，他和同事們研制出了大量的相關(guān)成果。其中圖2給出了一個4D打印物體的例子，它能夠被預(yù)編程來響應(yīng)水的刺激并且改變形狀。最上面的圖演示了一個一維物體（利用某種特殊聚合物制成）被注入到水里后，這個蛇形物可折疊成二維的麻省理工學(xué)院的字母“MIT”。底部的兩幅圖演示了如何從平面和線框結(jié)構(gòu)創(chuàng)建出自動折疊立方體。圖3演示了這種單鏈聚合物由字母“MIT”自動變形為字母“SAL”形狀的過程，還有一種平面結(jié)構(gòu)自動折疊成截角八面體，以及一種扁平圓盤在接觸到水時自主折疊成一個曲面凸紋的折紙結(jié)構(gòu)。這項實驗是由Skylar Tibbits和Stratasys公司，歐特克（Autodesk）公司共同開展的，他們采用的是Stratasys公司的Connex復(fù)合材料打印機(jī)和一種新型聚合物，該聚合物在入水后體積可以膨脹至150%。

另一項4D打印技術(shù)是在3D打印作業(yè)期間將導(dǎo)線或?qū)w嵌入到特殊兼容組件中。當(dāng)對象被打印以后，這些組件可以被外界信號激活，進(jìn)而引發(fā)全部自組裝行為（如圖4和5所示）。圖4是機(jī)器人手指的設(shè)計和制造過程，通過在3D打印過程中嵌入某些特殊組件而成，（a）顯示的是該機(jī)器人手指的CAD圖，（b）顯示的是手指被嵌入單絲纖維制造完成的形態(tài)，（c）顯示的是通過滑動手指驅(qū)動關(guān)節(jié)。圖5是通過3D打印制造集成了傳感和驅(qū)動功能的飛機(jī)襟翼，（a）顯示的是在材料沉積過程中直接將導(dǎo)體布線嵌入到平面和立體中，（b）顯示的是具備形變驅(qū)動的記憶合金線嵌入后的詳細(xì)幾何視圖，（c）顯示的是當(dāng)感應(yīng)到電流時襟翼會隨之?dāng)[動。其他4D打印技術(shù)進(jìn)展包括復(fù)合材料的應(yīng)用，基于不同的物理機(jī)制和熱動力學(xué)可以轉(zhuǎn)變成一些不同的復(fù)雜形狀，已有證據(jù)可證明一些材料可以通過光的照射而自動折疊。

美國“神經(jīng)系統(tǒng)”（Nervous System）設(shè)計工作室人員開發(fā)了一件采用4D打印技術(shù)印在單件上的完全可穿戴的連衣裙（見圖6），這也是通過3D打印技術(shù)印制成的世界上首件4D打印連衣裙。此件4D連衣裙通過3316個連接點把2279個打印塊連在一起，堪稱為模特量身定制?！吧窠?jīng)系統(tǒng)”創(chuàng)意主管杰茜卡·羅森克蘭茨說，4D打印或許將成為未來時裝的發(fā)展方向。

前途無量的4D打印技術(shù)

4D打印有望在制造過程中扮演一個非常重要的角色。印刷技術(shù)能使編程材料根據(jù)內(nèi)置的程序從一維或二維印刷自我轉(zhuǎn)變成三維對象。據(jù)2015年6月份Marketsand Market發(fā)布的關(guān)于4D打印的最新市場研究報告《4D市場之材料、終端用戶的行業(yè)和地域——全球趨勢及預(yù)測，2019～2025》，全球4D印刷市場有望在2019年實現(xiàn)商業(yè)化，并且將以42.95%的復(fù)合年均增長率至2025年達(dá)到5.378億美元，這種增長將會隨著制造和加工成本的降低，確保環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展而不斷驅(qū)動增長（見圖7）。

4D打印技術(shù)的潛力是無窮的，橫跨軍工，汽車，建筑，醫(yī)療保健，服裝等各大領(lǐng)域，其應(yīng)用前景之廣闊是目前無法估量的。4D打印是對3D打印技術(shù)的延伸，它使得打印并不只是創(chuàng)造的終極，而僅僅是一條路徑，這條神奇之路值得世界為之探索。只有想不到的，沒有做不到的，4D打印技術(shù)將還原你的幻想為真實，相信4D打印技術(shù)勢必會給制造行業(yè)帶來巨大的變革，“e制造”時代已蓄勢待發(fā)，你準(zhǔn)備好迎接它了嗎？

責(zé)任編輯：王蕾