4d打印前景

4d打印前景

4D打印是指用可编程物质（通常为智能复合材料）作为打印材料，通过3D 打印的方式打印出三维物体。该物体能随着时间推移，在预定的激励或刺激（如遇水、冷却或者通电、光照、加热、加压）下，自我变换形状、物理属性（如结构、形态、体积、密度、色彩、亮度、弹性、硬度、导电性、电磁特性和光学特性等）或功能等。

与传统的制造方式相比，4D打印除了拥有3D打印的一些主要优势外，还具备很多其他重要特性。首先，它能直接把设计以编程的方式内置到打印材料当中，使物体在打印后，从一种形态变成另一种形态，为物体提供了更好的设计自由度，实现了物体的自我变化和制造。其次，它能将多种可能的修正要素预设在打印材料的方案中，让物体在打印成型后，根据人们的想法驱动物体实现自我变形或对其完善和修正。

第三，它能在进一步简化物体生产制造过程的同时，使打印出的物体先具备极为的简单形状、结构和功能，然后通过外部激励或刺激，让它再变化为所需要的复杂的形状、结构和功能。

第四，它能使部件与物体本身结构的难易程度在制作时变得不再那么重要，并可在其中嵌入驱动、逻辑和感知等能力，让物体变形组装时无需设置额外的设备，大大减少了人力、物力和时间等成本。第五，它能激发工程师和设计人员的想象力，并设计出多种多功能的动态物体，之后再进行物质编程进行打印制造，促进了“物质程序化”这一造物方式成为现实。

最后，它能通过更有效的编程设计，将打印物体的数字文件由互联网发送到世界任何地点，克服了物体生产制造的空间限制，更好地实现了多样化物体的全球化数字制造。

4D打印中涉及的元素和类别。由内到外：第一层3D打印技术如FFF、DIW、DLP、SLS、喷墨、SLA；第二层4D打印的刺激如热、光、水、pH值、化学、磁场；第三层4D打印材料体系如单片SMP、液晶弹性体、复合水凝胶、SMP复合材料、SMP多材料等多功能材料；第四层4D打印应用场景与领域，如折纸、智能设备、智能包装、超材料、组织工程、生物医学。

未来4D打印需要在各个领域进行跨学科的研究和技术进步，包括3D打印技术的硬件，智能材料的材料科学，以及新颖的设计和建模工具（下图）。首先，高分辨率、高速和多材料的3D打印技术是非常需要的，以满足多尺度复杂几何形状的材料和设备的快速生产。

目前，适用于4D打印的3D打印技术数量有限。最流行的4D打印形式是多喷墨打印和挤压打印。多喷墨印刷使数字材料具有广泛的可调机械性能的SMPs和复合材料。然而，聚喷印花存在设备成本高、树脂性能要求严格、材料选择有限等缺点。基于挤压的打印方法更加通用，但是打印速度慢，分辨率相对较低，有时界面不好。其他3D打印平台可能对未来的4D打印有很大的潜力。

4D打印技术在智能设备、智能包装、折纸、超材料、生物医学和生物医学工程等领域有着广泛的应用前景。对于智能设备，4D打印已经从单一的智能材料扩展到结合其他制造技术的功能设备。例如，有人通过组合制造技术开发了软机器人，通过成型实现机器人本体，通过软光刻实现微流体逻辑，通过多材料、嵌入式3D打印技术实现气动执行器网络、车载油箱和催化反应室，从而获得完全软、自主的机器人。功能设备的其他潜在应用包括传感、能量收集和存储。

例如，执行器的4D打印为访问响应刺激的软机器人进行能量存储和采集提供了一个很好的机会。4D生物打印由于具有生物相关材料定制化、个性化制作的优势，在生物医学应用方面具有巨大的潜力。例如，可通过4D打印实现定制缝合、缺血性卒中装置及血管修复装置。