4D 打印是什么？

想象一下，购买可以根据您的脚进行自我调节的鞋子，或者开发一种在特定刺激触发时可以完美适应患者解剖结构的医疗设备。这些只是 4D 打印的一些潜在用途——一个令人兴奋的、不断增长的研究领域。

虽然 4D 打印看起来像是科幻小说中的东西，但 Gartner 预测，到 2023 年，4D 打印将投资 3 亿美元，尽管该技术距离商业化还有一段距离。

那么4D打印究竟是什么，它如何使制造商受益？

今天的文章将介绍 4D 打印的工作原理，以及该技术当前和未来的应用。

什么是4D打印？

4D 打印使 3D 打印对象能够随着时间的推移改变其形状。术语“4D 打印”指的是这个额外的第四维：时间。

这项新兴技术将 3D 打印技术与高级材料科学、工程和软件相结合。

材料在 4D 打印中起着至关重要的作用，因为该技术使用专门设计用于对特定刺激做出反应的材料。

能引起人造物体变形的常见刺激包括温度变化、光、水、磁场以及化学和其他环境因素。

当由外部源触发时，4D 打印对象可以按预定形状折叠或展开，为我们将在下面探索的一系列令人兴奋的应用打开大门。

4D 打印与 3D 打印有何不同？

3D打印是一种快速成型和制造技术，将材料逐层沉积以创建三维物体。

从根本上说，4D 打印使用与 3D 打印相同的技术来创建零件。主要区别在于 4D 打印对象在打印后会随时间改变其形状，而 3D 打印对象则保持相同的固定形式。

在 4D 过程中，添加了一个几何代码，其中包含有关一旦被刺激触发形状将如何移动或改变的“指令”。这个预编程步骤可以创建能够适应特定环境因素的智能、响应式对象。

4D 打印是如何工作的？

掌握 4D 打印首先需要了解材料对特定刺激的反应。使用这种材料行为知识，工程师可以设计出材料结构发生变化的物体。

基于数字 CAD 设计，然后以单一材料或复合材料 3D 打印模型。

打印过程完成后，预编程的几何代码将指示对象的不同区域应如何对特定刺激做出反应。

通过这种方法，工程师可以创建具有预定形状或在特定刺激触发时以特定方式折叠和展开的组件。

有几种适合处理可编程或“智能”材料的 3D 打印技术：

• 立体光刻 (SLA),
• 熔丝制造 (FFF),
• 材料喷射，
• 选择性激光熔化 (SLM)。

虽然前三种通常使用聚合物材料，但常见的 SLM 材料是金属。

值得注意的是，4D 打印的最新进展很大程度上归功于材料喷射技术的进步，该技术支持多材料打印。该技术通过喷射材料液滴来工作，从而可以严格控制其沉积。

哪些材料可以 4D 打印？

正如我们所见，该技术使用专门设计的“智能”材料，这些材料具有一种或多种可以被外部触发改变的特性。

虽然由于技术处于早期阶段，4D 打印材料的组合仍然相当有限，但我们在下面概述了一些可用于 4D 打印的最有前途的材料：

水凝胶

水凝胶是聚合物链的亲水网络，可以保留大量的水。水凝胶可用于紫外线固化 3D 打印技术，并通过编程来响应温度变化而改变形状。

由于其成分主要是水，因此水凝胶具有生物相容性，因此特别适合医疗应用。水凝胶还可用于软机器人和柔性电子产品等应用。

去年，罗格斯大学的工程师开发了一种 4D 打印方法来制造一种智能凝胶，可以帮助在人体器官中创建活体结构和纸巾 使用的材料？水凝胶。

在此应用中，水凝胶材料在暴露于温度变化时会改变形状。除了促进生物医学应用之外，这一发展还可以在软机器人领域实现新的应用，包括柔性传感器和执行器。

查看下面罗格斯大学的视频了解更多信息：

形状记忆聚合物

形状记忆聚合物 (SMP) 是聚合智能材料，当受到外部刺激时，能够从固定的临时形状转变为原始形状。

由于其主动驱动能力（移动和控制机构或系统的能力），SMP在航空航天、软机器人、生物医学等领域得到了广泛的应用。

形状记忆合金

形状记忆合金 (SMA) 是一种智能金属材料，与 SMP 类似，它保留了对其原始形状的“记忆”，并且在受到刺激变形后可以恢复到原来的形状。

SMA 可用于各种领域，例如航空航天、土木工程和生物医学设备。

陶瓷

去年，香港城市大学的一个研究小组展示了一种新型陶瓷墨水，它结合了聚合物和陶瓷纳米粒子。

用这种墨水打印的 3D 打印陶瓷前体柔软，可以拉伸超过其初始长度的三倍。这种材料的一些有前途的应用包括电子设备以及航空航天工业中的应用。

令人兴奋的 4D 打印应用

4D 打印对于当今的产品制造方式具有令人兴奋的潜力。让我们更详细地了解 4D 打印的可能性。

航空航天

生产对外部因素做出反应的智能材料的能力是航空航天业的一个关键优势。在这里，4D 打印可用于制造用于通风、发动机冷却和其他类似用途的自部署结构。

Airbus SAS 与麻省理工学院的自组装实验室合作，已经在与 4D 打印合作开发一种解决方案，该解决方案将根据温度和其他因素冷却发动机。

在一个例子中，空中客车公司和麻省理工学院致力于开发一种进气部件，该部件可以根据空气动力学条件进行变形以减少空气阻力。

创建的进气口可以自动调节，自动控制用于冷却发动机的气流。工程师使用碳纤维对材料进行编程，使其能够响应压力。

进气口已在风洞中成功测试，未来可用于代替目前执行此任务的重型机械系统。

太空任务也可以受益于4D打印。例如，佐治亚理工学院的研究人员使用形状记忆聚合物来 3D 打印由支柱制成的结构。这种结构暂时折叠平，但在受热时可以展开。研究人员认为，他们的发明可用于制造航天器和变形软机器人的天线。

防御

3D 打印为国防工业带来的好处是广泛的。现在，业界正在寻求 4D 打印的更多应用。

4D 打印更有前景的用途之一可能涉及军装，这些军装可以改变伪装或更好地防止接触有毒气体或弹片。

研究人员还在探索军方使用自组装物体的方式，包括自行组装的避难所或桥梁的可能性。

医疗

4D打印在医疗领域的潜力是巨大的。在这里，该技术可用于从组织工程和智能生物医学设备到制造用于化学疗法的纳米颗粒和纳米机器人的应用。

例如，麻省理工学院的研究人员开发了一种注入磁性微粒的 3D 可打印墨水。用这种材料 3D 打印的结构具有磁性，因此可以远程控制。

这项技术可用于制造设备，这些设备可以由磁铁引导穿过胃肠道以拍摄图像、提取组织样本、清除堵塞物或将某些药物输送到身体的特定区域.

4D 打印的另一个潜在应用是组织工程。在该领域，生物相容性水凝胶可用于打印人造皮肤，用于移植物甚至植入物，无需外部干预即可改变形状和功能。

汽车

早在 2016 年，宝马就展示了其概念车的未来愿景，其中包括 4D 打印。其中一个要素包括使用 4D 打印来生产能够适应不断变化的环境条件的汽车部件。

虽然这只是一个概念，但两年后，这家汽车制造商与麻省理工学院的自组装实验室合作，宣布创建可根据气压变化自行调整的充气 4D 结构。由硅胶制成的充气材料反映了宝马自适应设计的愿景。

一种可以利用 4D 结构的方式是用于汽车座椅，提供自适应支撑和舒适性 - 甚至以安全气囊的形式提供冲击性能。

消费品

消费品的生产是另一个可以通过 4D 打印重新构想的领域。例如，该技术可用于制造诸如椅子和桌子之类的扁平包装家具，这些家具在触发时会自行组装。

购买后，4D 打印家具只需将自身组装在一起，无需打开盒子并手动组装所有部件。最终，这可能会导致产品需要更少的存储空间并便于运输。

4D 打印：下一件大事？

4D 打印是一个引人入胜的领域，为制造开辟了令人兴奋的可能性。制造具有可编程功能的物体的能力可以改变商品的生产方式。

但是，需要注意的是，这里讨论的大多数项目仍处于研究和试验阶段——该技术在商业上可行之前还有很长的路要走。

但是，随着研究的继续，4D 打印的影响可能是巨大的，涉及到各个行业的应用。

实际上，要看到4D打印的主流应用，还需要几年甚至十年或更长时间。也就是说，该技术看起来将跟随 3D 打印的发展，成为制造业的下一个颠覆性技术。