4d打印前景

4D打印是指用可編程物質(zhì)（通常為智能復(fù)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(shí)間推移，在預(yù)定的激勵(lì)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(jié)構(gòu)、形態(tài)、體積、密度、色彩、亮度、彈性、硬度、導(dǎo)電性、電磁特性和光學(xué)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(shè)計(jì)以編程的方式內(nèi)置到打印材料當(dāng)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(shè)計(jì)自由度，實(shí)現(xiàn)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(yù)設(shè)在打印材料的方案中，讓物體在打印成型后，根據(jù)人們的想法驅(qū)動物體實(shí)現(xiàn)自我變形或?qū)ζ渫晟坪托拚?/p>

第三，它能在進(jìn)一步簡化物體生產(chǎn)制造過程的同時(shí)，使打印出的物體先具備極為的簡單形狀、結(jié)構(gòu)和功能，然后通過外部激勵(lì)或刺激，讓它再變化為所需要的復(fù)雜的形狀、結(jié)構(gòu)和功能。

第四，它能使部件與物體本身結(jié)構(gòu)的難易程度在制作時(shí)變得不再那么重要，并可在其中嵌入驅(qū)動、邏輯和感知等能力，讓物體變形組裝時(shí)無需設(shè)置額外的設(shè)備，大大減少了人力、物力和時(shí)間等成本。第五，它能激發(fā)工程師和設(shè)計(jì)人員的想象力，并設(shè)計(jì)出多種多功能的動態(tài)物體，之后再進(jìn)行物質(zhì)編程進(jìn)行打印制造，促進(jìn)了“物質(zhì)程序化”這一造物方式成為現(xiàn)實(shí)。

最后，它能通過更有效的編程設(shè)計(jì)，將打印物體的數(shù)字文件由互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到世界任何地點(diǎn)，克服了物體生產(chǎn)制造的空間限制，更好地實(shí)現(xiàn)了多樣化物體的全球化數(shù)字制造。

4D打印中涉及的元素和類別。由內(nèi)到外：第一層3D打印技術(shù)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(xué)、磁場；第三層4D打印材料體系如單片SMP、液晶彈性體、復(fù)合水凝膠、SMP復(fù)合材料、SMP多材料等多功能材料；第四層4D打印應(yīng)用場景與領(lǐng)域，如折紙、智能設(shè)備、智能包裝、超材料、組織工程、生物醫(yī)學(xué)。

未來4D打印需要在各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行跨學(xué)科的研究和技術(shù)進(jìn)步，包括3D打印技術(shù)的硬件，智能材料的材料科學(xué)，以及新穎的設(shè)計(jì)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(shù)是非常需要的，以滿足多尺度復(fù)雜幾何形狀的材料和設(shè)備的快速生產(chǎn)。

目前，適用于4D打印的3D打印技術(shù)數(shù)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(shù)字材料具有廣泛的可調(diào)機(jī)械性能的SMPs和復(fù)合材料。然而，聚噴印花存在設(shè)備成本高、樹脂性能要求嚴(yán)格、材料選擇有限等缺點(diǎn)。基于擠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(shí)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(shù)在智能設(shè)備、智能包裝、折紙、超材料、生物醫(yī)學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。對于智能設(shè)備，4D打印已經(jīng)從單一的智能材料擴(kuò)展到結(jié)合其他制造技術(shù)的功能設(shè)備。例如，有人通過組合制造技術(shù)開發(fā)了軟機(jī)器人，通過成型實(shí)現(xiàn)機(jī)器人本體，通過軟光刻實(shí)現(xiàn)微流體邏輯，通過多材料、嵌入式3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)氣動執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)、車載油箱和催化反應(yīng)室，從而獲得完全軟、自主的機(jī)器人。功能設(shè)備的其他潛在應(yīng)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(yīng)刺激的軟機(jī)器人進(jìn)行能量存儲和采集提供了一個(gè)很好的機(jī)會。4D生物打印由于具有生物相關(guān)材料定制化、個(gè)性化制作的優(yōu)勢，在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面具有巨大的潛力。例如，可通過4D打印實(shí)現(xiàn)定制縫合、缺血性卒中裝置及血管修復(fù)裝置。