4d打印前景

4d打印前景

4D打印是指用可編程物質（通常為智能復合材料）作為打印材料，通過3D 打印的方式打印出三維物體。該物體能隨著時間推移，在預定的激勵或刺激（如遇水、冷卻或者通電、光照、加熱、加壓）下，自我變換形狀、物理屬性（如結構、形態(tài)、體積、密度、色彩、亮度、彈性、硬度、導電性、電磁特性和光學特性等）或功能等。

與傳統(tǒng)的制造方式相比，4D打印除了擁有3D打印的一些主要優(yōu)勢外，還具備很多其他重要特性。首先，它能直接把設計以編程的方式內置到打印材料當中，使物體在打印后，從一種形態(tài)變成另一種形態(tài)，為物體提供了更好的設計自由度，實現了物體的自我變化和制造。其次，它能將多種可能的修正要素預設在打印材料的方案中，讓物體在打印成型后，根據人們的想法驅動物體實現自我變形或對其完善和修正。

第三，它能在進一步簡化物體生產制造過程的同時，使打印出的物體先具備極為的簡單形狀、結構和功能，然后通過外部激勵或刺激，讓它再變化為所需要的復雜的形狀、結構和功能。

第四，它能使部件與物體本身結構的難易程度在制作時變得不再那么重要，并可在其中嵌入驅動、邏輯和感知等能力，讓物體變形組裝時無需設置額外的設備，大大減少了人力、物力和時間等成本。第五，它能激發(fā)工程師和設計人員的想象力，并設計出多種多功能的動態(tài)物體，之后再進行物質編程進行打印制造，促進了“物質程序化”這一造物方式成為現實。

最后，它能通過更有效的編程設計，將打印物體的數字文件由互聯網發(fā)送到世界任何地點，克服了物體生產制造的空間限制，更好地實現了多樣化物體的全球化數字制造。

4D打印中涉及的元素和類別。由內到外：第一層3D打印技術如FFF、DIW、DLP、SLS、噴墨、SLA；第二層4D打印的刺激如熱、光、水、pH值、化學、磁場；第三層4D打印材料體系如單片SMP、液晶彈性體、復合水凝膠、SMP復合材料、SMP多材料等多功能材料；第四層4D打印應用場景與領域，如折紙、智能設備、智能包裝、超材料、組織工程、生物醫(yī)學。

未來4D打印需要在各個領域進行跨學科的研究和技術進步，包括3D打印技術的硬件，智能材料的材料科學，以及新穎的設計和建模工具（下圖）。首先，高分辨率、高速和多材料的3D打印技術是非常需要的，以滿足多尺度復雜幾何形狀的材料和設備的快速生產。

目前，適用于4D打印的3D打印技術數量有限。最流行的4D打印形式是多噴墨打印和擠壓打印。多噴墨印刷使數字材料具有廣泛的可調機械性能的SMPs和復合材料。然而，聚噴印花存在設備成本高、樹脂性能要求嚴格、材料選擇有限等缺點?；跀D壓的打印方法更加通用，但是打印速度慢，分辨率相對較低，有時界面不好。其他3D打印平臺可能對未來的4D打印有很大的潛力。

4D打印技術在智能設備、智能包裝、折紙、超材料、生物醫(yī)學和生物醫(yī)學工程等領域有著廣泛的應用前景。對于智能設備，4D打印已經從單一的智能材料擴展到結合其他制造技術的功能設備。例如，有人通過組合制造技術開發(fā)了軟機器人，通過成型實現機器人本體，通過軟光刻實現微流體邏輯，通過多材料、嵌入式3D打印技術實現氣動執(zhí)行器網絡、車載油箱和催化反應室，從而獲得完全軟、自主的機器人。功能設備的其他潛在應用包括傳感、能量收集和存儲。

例如，執(zhí)行器的4D打印為訪問響應刺激的軟機器人進行能量存儲和采集提供了一個很好的機會。4D生物打印由于具有生物相關材料定制化、個性化制作的優(yōu)勢，在生物醫(yī)學應用方面具有巨大的潛力。例如，可通過4D打印實現定制縫合、缺血性卒中裝置及血管修復裝置。