4D列印

4D列印技術是指由3D技術列印出來的結構能夠在外界激勵下發生形狀或者結構的改變，直接將材料與結構的變形設計內置到物料當中，簡化了從設計理念到實物的造物過程，讓物體能自動組裝構型,實現了產品設計、製造和裝配的一體化融合。

基本介紹

• 中文名：4D列印
• 外文名：4D Printing
• 構成要素：智慧型或刺激反饋材料、4D列印設備等
• 優勢：耗能低、設計自由度高等
• 套用領域：航空航天、產品設計等
• 所屬領域：計算機科學技術

定義

4D列印是指利用“可程式物質”和3D列印技術，製造出在預定的刺激下（如放入水中，或者加熱、加壓、通電、光照等）可自我變換物理屬性（包括形態、密度、顏色、彈性、導電性、光學特性、電磁特性等）的三維物體。其中，“可程式物質”是指能夠以編程方式改變外形、密度、導電性、顏色、光學特性、電磁特性等屬性的物質。4D列印的第四維是指物體在製造出來以後，其形狀或性能可以自我變換。

4D列印製造的物體至少有兩種形式：一種是物體的各部分連線在一起，可自我變換成另一種形態或性能；另一種是該物體由可分離的三維像素（一種基於體積的像素，與平面像素類似，三維像素是“可程式物質”的基本單元，不同的“可程式物質”具有不同的三維像素）組成，三維像素可聚集形成更大的可程式部件，該部件也可分解成三維像素。

構成要素

4D列印的主要構成要素可以分為四個部分：智慧型或刺激反饋材料、4D列印設備、外部刺激因子、智慧型化設計過程。

1、智慧型或刺激反饋材料

4D列印產物能夠根據套用場景的特定需求、刺激因子的特定作用條件的自發變化，展現出“智慧型”特性，使研究者將構成這類特殊物質的基本材料稱之為“智慧型材料”（Smart Material），這種命名方式是以產物實際套用所表現出的自發行為作參考的。“刺激反饋”是構成4D列印體材料的基本屬性之一，該命名方式側重於材料能夠接受預設刺激，並產生一定反饋結果的能力。前者從4D列印產物效能的角度對材料進行命名，而後者側重於材料本身所具有的屬性。

2、4D列印設備

在通常情況下，4D列印結構是通過列印設備將不同材料合理分布並一次成型的結構體。不同的材料屬性，例如，溶脹比、熱膨脹係數，可以使結構按特定方式變化成為可能。近年來，Stratasys公司所研發的聚合物噴射（Poly Jet Technology）3D列印技術，在處理複合材料列印方面取得了較大進展；選擇性雷射熔化技術（Selective Laser Melting）則實現使用具有高能量密度的雷射，熔化金屬粉末層以創造均勻的3D金屬結構，而不需要任何粘合劑和額外的支持，這些進步都推動了4D列印的發展。

3、刺激因子

刺激因子是用來改變4D列印結構體形狀、屬性和功能變化的觸發器。研究者目前在4D列印領域中已經運用的刺激因子包括：水、溫度、紫外線、光與熱的組合以及水與熱的組合。刺激因子的選擇取決於特定的套用領域，這同樣也決定了4D列印結構體中智慧型材料的選擇。

4、智慧型化設計過程

儘管智慧型材料自身在列印對象形態變化中扮演著至關重要的角色，但是，基於對互動機制、可預測行為和需求參數充分考慮的複雜的設計過程，也能夠保證達到可控結果的環節之一。4D列印技術的優勢在於其在空間合理分布不同材料，以創造複雜的3D形態的能力。通過設計智慧型材料分布的方向、位置，我們可以使結構體受刺激因子的刺激後，產生形態上的變化。

列印流程

由於4D列印結構體具有基於時間變化的特性，設計和製作流程中存在一個或多箇中間形態。

1．數位化設計過程

傳統的3D列印技術，可以通過專業掃瞄器或者DIY掃描設備獲取對象的3D數據，也可以使用3D製作軟體從零開始建立三維數位化模型。不同於3D列印先建模、後生產的製造流程，4D列印由於其能夠變化的特性，在數位化建模之初，就將材料的觸發介質、時間等變形因素，以及其它相關數位化參數預先植入列印材料中。

2．中間件成型過程

中間件成型過程，即從3D列印設備開始工作到結構體離開工作檯的過程。此過程需要全新的3D列印設施的工作。Gladman等人認為，4D列印過程中需要適當的數學模型的支持。在該過程中存在的數學問題包括：如何預測結構體基於時間的形態變化過程，包括變化後的形態；如何提供避免自組裝行為過程中組件發生碰撞的理論模型；如何減少自組裝過程中的試錯性行為。這些需要考慮的數學問題，必須通過智慧型化的計算晶片加以判斷、解決。值得注意的是，未來人工智慧晶片可植入到3D列印設備之中，即3D列印設備也將具有“智慧性”。通過對數位化設計完成之後，傳輸到列印設備上進行數據分析，可以對材料進行合理安排，以保證最後的列印效果。可以預測，未來4D列印設備會朝標準化、模組化的方向發展。不同模組的可替換性，能夠基本保證針對不同材料、不同平台的支持。

主要優勢

1、實物可從一種形態轉換成另一種形態，提供了最大限度的產品設計自由度。

2、可在列印部件中嵌入驅動、邏輯及感知等能力，且無需額外的時間和成本。

3、可在同一批次產品中定製生產。

4、生產個性化產品是4D列印的獨特優勢。

5、可先列印極其簡單的結構，然後通過外部刺激轉變成具有複雜功能的結構和系統。

6、一旦製造出4D列印材料並嵌入動態功能，生產成品的功能將超過預期。

7、可從根本上消除供應鏈和組裝線。

8、利用設計和編程實現物質世界的數位化。

9、數字檔案可傳送到世界任何地點，並收集合適的三維像素，製造所需產品。

10、三維像素的設計和製造將成為新興行業，所帶來的影響將異常深遠。+

11、將激發科學家和工程師想像各種多功能動態物體，之後進行物質編程，並利用4D列印實現，“物質程式化”這一新領域可能將興起。

套用領域

（一）生物、醫療領域

1.人體組織及其組織器官

4D列印血管的材料不一定需要患者本人身上的細胞組織，只需在材料內部通過軟體設計編程置入實踐、觸發介質等參數，以解決材料的唯一性難題。4D列印產品自我調整的特性，使製作取用的即時性也成為可能。在套用的適應性方面，4D列印的血管具有自我調節和自我修復的效果，這使得其在生物、醫療領域的套用有著其它技術無法企及的效果。

2.醫療器械

4D列印的主要套用構想，集中在人體植入物方面的醫療器械，如，納米機器人、器官支架等。

（二）軍事工業領域

4D列印的結構體具備自組裝、多功能和自我修復能力，可以使未來軍工設備根據部署現場環境和作戰目標的不同，靈活調整以自適應實時戰況，提高作戰效能。結合4D列印技術的偽裝服，可在兼顧輕便性的同時，能根據季節、周圍環境重塑成需要的形態，為偵查人員執行任務提供便利性。4D列印還可以將大型軍用設備，在未布置前以遠比實際形狀小得多的樣子呈現，再將通過4D列印而成的結構放在特定的位置，然後自動變形、自動組裝，在使用後還能回收帶走。

（三）產品設計領域

與3D列印不同的是，4D列印將不再需要通過“定製”這一套程式來實現個性化產品製作，而是完全能即時地表達自己的想法並製作出來，且能隨時更新自己的創意，從而用個性化元素構建自己的個性化生活，使得私人訂製轉向私人工廠，加快產品創新速度。在網際網路+時代背景下，數字檔案可在保證質量不受影響的情況下無限複製，而4D列印可以將這種數字精度擴展到實體領域，從而保證實體產品精確的批量生產，降低不良率，提高生產效率。

（四）交通工具

未來人們甚至可以根據所需汽車性能、外部形狀、內部結構等購買汽車組件，隨時隨地通過組件的自組裝形成個性化定製的汽車產品。與此同時，當前社會“停車難”的問題，隨著資源、空間的日益消耗逐漸被放大，汽車以後甚至可以摺疊成不占空間的形狀，使停車問題不再令人頭疼。未來4D列印汽車通過革新的智慧型材料，當重大事故或者自然災害所產生的外部觸發介質作用於材料時，其設計的反饋方式可最大程度保證車內乘客的安全，未來安全氣囊可能被更具創造力的保護措施所取代。

（五）建築與航空航天領域

4D列印在建築領域具有無限的可能性，以地下排水系統為例，利用4D列印技術開發出的“自適應”水管，可以根據水管外壁受力的不同自行改變其管道直徑、材料剛性，比如，遭遇洪水、地震等自然災害時，能夠擴大直徑或者使材料變為柔性，以保證供水正常。另外，利用4D列印建構的房屋物理空間將被賦予可變性，根據光照變化等刺激因子的作用，房屋內部結構可以隨用戶需求而變化。例如會客時，臥室變為閒置空間。4D列印的房屋材料能通過一系列變化，將閒置臥室空間分配給會客所需的公共空間。

與建築行業類似，航空航天工業對於空間的合理分配也有極高的要求，龐大的設備需要利用太空梭的運送才能進入太空。而4D列印物體的自組裝行為，能夠為運輸過程節省較大空間，可將列印完成的組件以便於運輸的形狀送往太空，在宇宙空間中完成自動變換形狀、組裝等行為，這將大大降低運輸成本以及困難度。對於航空事業而言，運用4D列印技術製造的飛機，在面臨特定環境變化時可以實現自我分解，以最為理想的狀態（如，膠囊狀安全防護罩）給乘客提供及時有效的保護。

（六）教育領域

4D列印也為教育行業打開了一扇新視窗，但目前鮮有機構、學者研究、探索如何將4D列印技術運用在教育領域中。傳統教具、模型不具備“四維”的動態性，教師若通過特定的刺激方式使模型按照預定的變化方式，與課堂內容相結合，可以調動學習積極性、提高專注度。