3D打印技術(shù)方興未艾，4D打印已悄然興起。隨著智能制造和先進(jìn)材料科學(xué)的快速發(fā)展，4D打印技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并與3D打印、智能材料和可編程物質(zhì)相互促進(jìn)、共同發(fā)展，在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。那么，4D打印究竟是什么？如何實(shí)現(xiàn)4D打印？4D打印技術(shù)在哪些領(lǐng)域有所應(yīng)用？本期，我們將帶您了解塑造未來的4D打印。
2012年，在麻省理工學(xué)院的TED大會上，Skylar Tibbits展示了通過3D打印的靜態(tài)物體如何隨著時(shí)間的推移發(fā)生轉(zhuǎn)變。這在3D打印中引入了一個(gè)新的維度——時(shí)間。從此，拉開了被稱為第四維打印（4D打印）新時(shí)代的序幕。目前，對于4D打印已經(jīng)提出了許多定義與描述，開始是4D打印只是具有時(shí)間的3D打印。但更加準(zhǔn)確的定義是：“4D打印是當(dāng)3D打印結(jié)構(gòu)在暴露于熱、光、水、酸堿度等條件下，隨著時(shí)間的推移，其形狀、性能和功能發(fā)生變化。”它不僅可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的打印，還可以賦予打印件自適應(yīng)、自修復(fù)等智能功能，從而在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、軟體機(jī)器人等領(lǐng)域展示出巨大的應(yīng)用潛力。
根據(jù)最新的數(shù)據(jù)，2024年4D打印的市場規(guī)模估計(jì)為4.5億美元，并預(yù)計(jì)到2029年將達(dá)到28.5億美元，其中蘊(yùn)含了無限的增長潛力。4D打印技術(shù)的興起，標(biāo)志著制造業(yè)向智能化和個(gè)性化方向發(fā)展，將深刻影響人類生活的方方面面。
打印技術(shù)：可以采用各種增材制造技術(shù)，如 FDM、SLA 等，關(guān)鍵在于材料與打印機(jī)的兼容性。不同的打印技術(shù)適用于不同類型的智能材料和結(jié)構(gòu)，例如 FDM 適用于打印熱塑性形狀記憶材料，SLA 適用于打印光敏樹脂材料。智能材料：能夠?qū)μ囟ù碳ぷ龀鲰憫?yīng)，例如水凝膠、形狀記憶材料、光敏材料、電活性聚合物等。智能材料的種類繁多，每種材料都有其獨(dú)特的響應(yīng)機(jī)制和應(yīng)用場景。例如，水凝膠對濕度敏感，能夠吸收水分并膨脹；形狀記憶材料對溫度敏感，能夠隨著溫度的變化而變形或記憶形狀；光敏材料對光敏感，能夠吸收光能并產(chǎn)生熱效應(yīng)，進(jìn)而發(fā)生形變；電活性聚合物對電敏感，能夠通過電流產(chǎn)生熱效應(yīng)，進(jìn)而發(fā)生形變。刺激：包括物理、化學(xué)或生物刺激，如溫度、濕度、光、磁場、pH值、酶等。不同的刺激可以觸發(fā)不同的智能材料產(chǎn)生不同的響應(yīng)，例如溫度可以觸發(fā)形狀記憶材料的變形，光可以觸發(fā)光敏材料的形變，磁場可以觸發(fā)磁性材料的形變。相互作用機(jī)制和數(shù)學(xué)建模：用于規(guī)劃和控制形狀變化的順序和持續(xù)時(shí)間，確保打印結(jié)構(gòu)按照預(yù)期進(jìn)行變形。數(shù)學(xué)模型可以幫助工程師預(yù)測和控制 4D 打印結(jié)構(gòu)的形狀變化行為，從而實(shí)現(xiàn)精確控制。例如，可以使用有限元分析軟件模擬 4D 打印結(jié)構(gòu)的變形過程，并根據(jù)模擬結(jié)果調(diào)整打印參數(shù)和材料設(shè)計(jì)。F.Momeni和J.Ni提出了三條定律來解釋4D打印結(jié)構(gòu)的形狀變化行為：第一定律：所有形狀變化行為（如卷曲、扭曲、彎曲等）都是由于活性材料和惰性材料之間的相對膨脹引起的。第二定律：多材料4D結(jié)構(gòu)的形狀變化能力背后有四個(gè)物理因素：質(zhì)量擴(kuò)散、熱膨脹、分子轉(zhuǎn)化和有機(jī)生長。第三定律：幾乎所有多材料4D打印結(jié)構(gòu)的形狀變化行為都由兩種時(shí)間常數(shù)控制。4D打印材料通常被稱為智能材料，因?yàn)樗鼈兡軌螂S時(shí)間改變其性質(zhì)。根據(jù)對不同刺激的響應(yīng)，智能材料可以分為以下幾類：水分響應(yīng)材料：如水凝膠，對濕度敏感，能夠吸收水分并膨脹。光響應(yīng)材料：如光敏樹脂，對光敏感，能夠吸收光能并產(chǎn)生熱效應(yīng)，進(jìn)而發(fā)生形變。溫度響應(yīng)材料：如形狀記憶聚合物 (SMP) 和形狀記憶合金 (SMA)，對溫度敏感，能夠隨著溫度的變化而變形或記憶形狀。磁響應(yīng)材料：如磁性納米顆粒，對磁場敏感，能夠在外部磁場的作用下發(fā)生形變。電響應(yīng)材料：電活性聚合物，如聚吡咯，對電敏感，能夠通過電流產(chǎn)生熱效應(yīng)，進(jìn)而發(fā)生形變。
4D打印材料：(a)光響應(yīng)材料；(b)電響應(yīng)材料；(c)基于SMP電路，(d)開和關(guān)的響應(yīng)；(e)4D打印立方體的折疊過程（圖片來源：Nature）
4D打印的應(yīng)用
4D 打印技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景，例如：生物醫(yī)學(xué)：可用于制造可變形支架、人工器官和組織工程支架，提高治療效果和患者舒適度。例如，4D打印的血管支架可以根據(jù)血管的擴(kuò)張和收縮進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，從而減少血栓形成的風(fēng)險(xiǎn)。航空航天：可用于制造自適應(yīng)結(jié)構(gòu)，如可展開天線和變形機(jī)翼，提高飛行效率和性能。例如，4D打印的機(jī)翼可以根據(jù)飛行速度和高度進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，從而提高燃油效率和飛行性能。建筑：可用于制造自適應(yīng)建筑材料，如能夠自我修復(fù)的混凝土，延長建筑使用壽命。例如，4D打印的混凝土可以在出現(xiàn)裂縫時(shí)自動修復(fù)，從而延長建筑的使用壽命。消費(fèi)品：可用于制造可變形玩具、服裝和家具，提升用戶體驗(yàn)和產(chǎn)品功能。例如，4D 打印的玩具可以根據(jù)孩子的喜好進(jìn)行變形，從而提升孩子的興趣和想象力。
生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用：(a) 4D 打印生物材料的形狀變化和定型；（b）立方體的自折折紙；（c）基于 ITOP 的組織和器官打印（圖片來源：Nature）4D打印技術(shù)仍面臨一些挑戰(zhàn)，例如：智能材料的開發(fā)：需要開發(fā)更多種類和性能更好的智能材料。打印工藝的優(yōu)化：需要優(yōu)化打印工藝以獲得更好的形狀變化精度和可控性。數(shù)學(xué)模型的建立：需要建立更精確的數(shù)學(xué)模型來預(yù)測和控制4D打印結(jié)構(gòu)的形狀變化行為。成本問題：4D打印的成本仍然較高，需要進(jìn)一步降低成本才能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。多材料打印：4D打印技術(shù)將逐漸實(shí)現(xiàn)多材料打印，可以制造出具有更多功能和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的打印件。集成其他技術(shù)：4D打印技術(shù)將與其他技術(shù)（如人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等）進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)更智能、更高效的應(yīng)用。個(gè)性化定制：4D打印技術(shù)將實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制，可以根據(jù)用戶的需求和喜好制造出獨(dú)一無二的打印件。
4D打印技術(shù)是一項(xiàng)具有巨大潛力的技術(shù)，將為人類社會帶來更多創(chuàng)新和便利。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，4D打印技術(shù)將會在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用，塑造未來世界。
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