4d打印技术的应用

　　4D打印技术与3D打印技术从字面相比较，多了一个“D”，多出的这个“D”是指时间纬度，准确地说是一种新型能够自动变形的材料，不需要借助于任何复杂的机电设备，就能够按照事先所设计的产品自动折叠成相应的形状，并满足性能要求。4D打印的关键是记忆合金，4D打印由MIT（MassachusettsInstituteofTechnology，麻省理工学院）与Stratasys（斯特塔西有限公司）教育研发部门合作研发的一种能让材料快速成型的革命性新技术。3D打印技术是建模在先，打印产品在后，而4D打印则是把产品设计嵌入可以变形的智能材料中，无需人为干预，通过某些特定条件激活，进行自我组装，得到产品。4D打印的创新点在于“变”，它是一个动态的过程，它不但能够创造出有智慧、有适应能力的新事物，而且可以彻底改变传统的工业打印。4D打印技术是对3D技术的改进和完善，在科学技术高速发展的今天，我们完全有理由相信，在不远的将来，4D打印技术应用于生产实际必将成为一种可能，且存在巨大的应用前景。

　　1、4D打印技术在军事领域中的应用及展望

　　1.1 在武器装备制造中的应用及展望

　　传统的武器装备制造流程为：制造→部署→使用→报废，而4D的武器装备制造流程为：半成品制造→部署→现场塑造→使用→回收→再部署。4D打印生产的武器装备可根据环境和攻击目标而优化武器攻击性能，从而提高作战效能。值得一提的是4D打印技术可使智能材料感知外光的变化，自动实现与周围环境融为一体，从而改善伪装效果。美国陆军部已投入大量资金开发“自适应伪装作战服”。该作战服的研究和开发如果成功，则具有以下三个方面的典型特色：（1）隐身功能，该服装能在不同的环境下自由变换色彩，实现士兵的自适应隐身；（2）适穿功能，根据温度的变化自动调节服装厚度和透气性，实现士兵的自适应舒适性；（3）防弹功能，根据所受外力自动调节软服装外围硬度，平时穿着柔软如织，遇子弹袭击坚硬如钢，实现士兵的自适应保护。

　　1.2 在大型军用装备构件制造中的应用及展望

　　大型军用构建制造的成本控制一直是个难题，然而利用4D打印技术可以大为改善，我们可以控制智能材料的关键部位或敏感部位，把大型构件设计成折叠状，然后利用3D打印机得到半成品，通过特殊的参数刺激控制来实现大型军用构件的自动展开［4］。例如将4D打印技术应用于军用人造卫星，通过该技术的自动展开和组装功能快速成型帆板和天线等大型构件，将大大减少机械部件的数量和重量，降低发射军用卫星所需成本。据有关报道，美国利用3D打印技术制造军工部件已获成功，但是仍需花费大量的人力资源才能把这些部件组装成完整的军事用品。利用4D打印技术制造出的部件，则无需人工组装，它们会自动组装成为一个成品。试想战机的各个部件若用4D打印技术制造，则何惧敌人炮火攻击，损坏的部件会快速被生长出的新部件所取代，完好如初。试想将4D打印技术应用于防御工事外部罩壳的制造，受到炮火袭击后如有“裂痕”，则外部罩壳可以自行弥合裂痕，让防御工事坚固如初。

　　1.3 在微型军用机器人制造中的应用及展望

　　众所周知，微型机器人在未来战场上执行大量侦察和打击任务，它的优势在于“微”，但目前的微型机器人仍是由大量的齿轮、轴承等机械部件组成，这些部件的存在限制了其体积、重量和能耗进一步“微型化”。4D打印技术将为微小型机器人的制造、运动与变形提供新的技术路线，通过敏感材料的精确设计和控制有望取代齿轮等传统机械部件，实现微型军用机器人的进一步微型和灵活运动，从而显著减小机器人的体积、重量和能耗需求。

　　1.4 在军事后勤保障中的应用及展望

　　4D打印技术可将更多武器装备制造成折叠状态，方便远程机动。同时采用4D打印出的半成品将有更强的可塑造能力和环境适应能力，也有望减少装备器材的种类和库存数量，提高后勤效率，发挥更强的作战效能［4］。比如利用4D打印技术开发的万能背包，这个背包平时与普通背包无异，但在海水中可立即变成救生艇，高空坠落时可变成降落伞，夜晚宿营时可变成舒适帐篷。

　　2、4D打印技术在生物领域中的应用及展望

　　2.1 在生物领域中的正面影响

　　4D打印技术制造出的智能结构，可以发生由一维结构或二维结构向三维结构的变化，或者由一种三维结构变成另一种三维结构。这种结构的随意变化也给4D打印技术的应用带来无穷的畅想，而生物医疗领域最有可能成为该炫技的主秀场。将4D打印的产品应用于生物医学领域，尤其是普及至人体内应用，无疑是人类健康医疗发展的福音。伴随着纳米技术与数字化制造在第四维空间研发的深入，4D打印将可以进入非常微小的空间进行“工作”。麻省理工学院数学家丹雷维夫曾表示，4D打印有利于新型医疗植入物的发明。比如心脏支架，如果采用4D打印技术制造，将不再需要给病人做开胸手术，可通过血液循环系统注射入携带设计方案的智能材料，其到达心脏指定部位后自我组装成支架。除此之外，多自由度操作臂是微创技术未来发展的研究难点。李涤尘表示，他们正在自主研发智能材料，并通过4D打印技术应用于多自由度操作臂的制造研究中。“未来手术操作臂可以通过食道、肛门等人的自然腔道进入人体，并在体内任意更改方向。”李涤尘称，电极施加电压作用在智能材料上，就可以实现操作臂的多自由度弯曲和转向，从而成为一种刚柔并济的操作臂柔性控制方法。4D打印在生物医疗领域，尤其是癌症治疗方面将会有进一步的应用与发展。牛津大学圣安东尼学院荣誉学者纳伊夫·鲁赞曾在美国《外交》双月刊网站发文称，借助4D打印的原理，研究人员还能够利用DNA链制造出对抗癌症的纳米机器人。近期有外媒报道，美国国防部拨付850万美元资金，支持美国西北大学国际纳米技术研究所进行4D打印机的研究与开发，该设备将能够实现纳米尺度下的操作，让我们期待4D打印在医药领域的进一步发展。

　　2.2 在生物领域中的负面影响

　　人体内的4D打印细胞或纳米机器人，如果监控不到位的话，很容易演变成被坏人利用的生物武器原型。而可编辑材料所具有的自变形特性，让其相较于3D打印而言，被犯罪分子利用的风险性也更大。比如针对枪支等违禁物品来说，3D打印出来的直接是具体实物，相对容易被发现和控制；而4D打印物在打印之初，有可能是任何形态，只有在一定的环境和介质作用下，才会“变形”为预先设定的真实面目。可以说，让人防不胜防。

　　研究人员借助4D打印的原理，利用DNA链造出了对抗癌症的纳米机器人。在这方面，双重用途同样带来切实的担忧。由于能够轻易获得必要的工具，一些人可以利用此类技术来制造新的生物武器。另外，许多围绕3D打印的担忧还在继续存在，有些新技术成为犯罪分子利用的手段（已有人通过3D打印机制造出手枪和手铐钥匙）。同时，4D打印技术的出现，制造商将有更多途径来定制产品，从而进一步缩短供应链，但这也将危及技术工种，并且产生产品问责的问题和知识产权问题也会越来越复杂。

　　3、4D打印技术在工业建筑领域中的应用及展望

　　蒂比茨和他的团队介绍，把4D打印技术应用于城市管道建设，将是一个了不起的建筑技术飞跃，管道的自动调整、自动组装和自动修复功能可以降低管道铺设的难度和成本，还可以轻松应对地质灾害的发生，危险地区的工程将不再需要人的参与。人们只需在电脑上完成管道规划和技术嵌入，接下来的一切只需“打印”。

　　4、结语

　　当然，4D打印技术还有待成熟，还存在诸如智能材料缺少，打印机规模太小等问题，但是3D打印技术从构想到成熟只用了20年，所以我们有理由相信随着科学技术的进步，这些难点必将被攻克，4D打印技术应用于生产将会成为一种可能，并且在未来的制造领域中定会大显身手。