中國(guó)粉體網(wǎng)訊  2013年，在美國(guó)的TED會(huì)議上麻省理工學(xué)院Tibbits首次提出4D打印概念，并展示了一根繩子在水中轉(zhuǎn)變?yōu)椤癕IT”立體字樣的過(guò)程，4D打印技術(shù)自此在學(xué)術(shù)界掀起了廣泛的研究熱潮。從此，增材制造技術(shù)便由原來(lái)的點(diǎn)線(xiàn)面體空間維度（3D）擴(kuò)展到了時(shí)空維度（4D）。

4D打印發(fā)展歷程及技術(shù)特點(diǎn)（來(lái)源：馮韜等，《4D打印智能材料及產(chǎn)品應(yīng)用研究進(jìn)展》）

4D打印技術(shù)的誕生可追溯至2007年美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）開(kāi)展的“可編程物質(zhì)”項(xiàng)目研究，該項(xiàng)目旨開(kāi)發(fā)出一種可在軟件控制或外界刺激的條件下轉(zhuǎn)變成理想或有用形態(tài)的智能材料，實(shí)現(xiàn)根據(jù)需求在現(xiàn)場(chǎng)快速制造物資，并使軍事裝備能夠根據(jù)指令改變形狀。DARPA設(shè)想中的可編程物質(zhì)是一種智能材料，包含驅(qū)動(dòng)及傳感機(jī)制，可以在軟件控制或者外界條件的刺激下變形成為有用的形狀�？删幊涛镔|(zhì)的設(shè)想應(yīng)用包括三維實(shí)體顯示、可變形天線(xiàn)、可重構(gòu)電子設(shè)備以及多功能現(xiàn)場(chǎng)制造設(shè)備等。  

DARPA計(jì)劃從模塊化機(jī)器人、新型材料、納米技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)等多個(gè)領(lǐng)域?qū)�可編程材料開(kāi)展研究，共有包含麻省理工學(xué)院在內(nèi)的5所大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)參與該項(xiàng)研究。麻省理工學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)在此項(xiàng)目支持下開(kāi)發(fā)出可編程物質(zhì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，能夠根據(jù)溫度的變化展開(kāi)或折疊，并以此為基礎(chǔ)制造出可自動(dòng)折疊成飛機(jī)或艦船形狀的機(jī)器人。  

此后，麻省理工學(xué)院在DARPA的資助下繼續(xù)開(kāi)展一系列可編程物質(zhì)方向的研究，并于2011年建立了自組裝實(shí)驗(yàn)室，最終促成4D打印技術(shù)的問(wèn)世。

4D打印與3D打印的區(qū)別

4D打印其實(shí)是在3D打印技術(shù)的基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)時(shí)間維度，通過(guò)可編程原理控制3D打印物體中的可變形要素，成型后物體的形狀、性能等在受到光、熱聲、磁等環(huán)境刺激下可隨時(shí)間再次發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)形變、自動(dòng)修復(fù)、自動(dòng)組裝等功能，因此4D打印成為一種新型的以智能材料為驅(qū)動(dòng)的變形實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

3D打印與4D打印的技術(shù)關(guān)聯(lián)性（來(lái)源：王冠云等，《4D打印變形設(shè)計(jì)策略研究》）

與3D打印相同，4D打印是一種集材料科學(xué)、機(jī)械科學(xué)以及計(jì)算機(jī)科學(xué)等諸多學(xué)科高度交叉融合的先進(jìn)制造技術(shù)。但又與3D打印不同，4D打印是一種具備動(dòng)態(tài)演變能力的智能制造技術(shù)，是在3D打印基礎(chǔ)上結(jié)合智能材料與智能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，針對(duì)制造產(chǎn)品的形態(tài)、性能和功能方面的進(jìn)一步發(fā)展。

3D打印與4D打印技術(shù)的區(qū)別對(duì)比（來(lái)源：軍事文摘，《4D打印技術(shù)及其軍事應(yīng)用前景》）

4D打印作為新一代增材制造技術(shù)，其依賴(lài)于時(shí)間，獨(dú)立于制造設(shè)備，并且其演變過(guò)程完全可預(yù)測(cè)、可設(shè)計(jì)和可控制。4D打印的先進(jìn)性在于可以快速成型制造出具有環(huán)境自適應(yīng)性動(dòng)態(tài)演變的智能產(chǎn)品，從而區(qū)別于傳統(tǒng)3D打印產(chǎn)品的功能單一、無(wú)變化的穩(wěn)態(tài)特性。針對(duì)懸空、螺旋和中空等曲邊曲面復(fù)雜結(jié)構(gòu)，4D打印可以先快速成型制造出相應(yīng)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)后，再由智能演變實(shí)現(xiàn)最終的產(chǎn)品形態(tài)和性質(zhì)，從而達(dá)到減少加工時(shí)間和材料的目的。此外，4D打印直接將產(chǎn)品的“功能性”與產(chǎn)品的制造工藝相結(jié)合，在保留材料特殊性質(zhì)的同時(shí)將其快速成型制造，從而實(shí)現(xiàn)智能產(chǎn)品的一體化成型制造。

4D打印技術(shù)要素

要實(shí)現(xiàn)4D打印技術(shù)有四個(gè)關(guān)鍵要素，分別為智能材料、3D打印、數(shù)學(xué)建模與刺激條件。

智能材料

常見(jiàn)的智能材料包含形狀記憶合金、形狀記憶聚合物、光驅(qū)動(dòng)型聚合物、水驅(qū)動(dòng)型智能材料、磁驅(qū)動(dòng)型智能材料、電驅(qū)動(dòng)智能材料等，如Ni-Ti合金通過(guò)有機(jī)膠和溶劑粘合作用打印出的金屬結(jié)構(gòu)即有一定的形狀記憶效應(yīng)，其在低溫下發(fā)生的形變可以通過(guò)加熱升溫恢復(fù)其原有形狀；形狀記憶聚合物是在4D打印技術(shù)研究中應(yīng)用最多的材料，例如通過(guò)熔融成型方式獲得可抓取螺絲釘?shù)臋C(jī)械手、能夠舒展的花瓣模型、可以折疊的紙盒以及飛鳥(niǎo)模型等。

4D打印通過(guò)對(duì)智能材料的數(shù)學(xué)建模可以實(shí)現(xiàn)多種材料的打印，借助多種材料的相互作用使得制品展現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能的轉(zhuǎn)化，將多種材料的3D打印短板轉(zhuǎn)化為優(yōu)勢(shì)，擴(kuò)展了設(shè)計(jì)思路；且4D打印制品自我修復(fù)與自我組裝特點(diǎn)能夠?qū)⒋笮椭破烦跏即蛴⌒⌒突�，克服�?a href="http://m.adcg.com.cn/zc/112.html" target="_blank" style="color:#0000ff">3D打印設(shè)備能力與空間體積的限制。

3D打印

3D打印技術(shù)是4D打印技術(shù)的制造基礎(chǔ)，是將4D變形設(shè)計(jì)實(shí)體化的重要過(guò)程。比較常見(jiàn)的可用于4D打印的3D打印技術(shù)包括熔融沉積式、擠壓噴墨式、燒結(jié)與固化式。

熔融沉積成型技術(shù)是將各種熱熔性線(xiàn)狀材料加熱融化、打印粘連、再冷卻成型，例如常見(jiàn)的可熔融沉積打印的熱塑性塑料（PLA、ABS、PCL等）。該種技術(shù)打印簡(jiǎn)單、材料易得，因此成為近年來(lái)發(fā)展較快的低成本4D打印技術(shù)。

擠壓噴墨成型技術(shù)包括半液態(tài)材料的擠壓成型和液態(tài)墨水的噴墨成型，其特點(diǎn)在于在打印過(guò)程中不改變材料物理狀態(tài)，但由于每種材料物理差異性較大，3D打印機(jī)通常需要定制化，因此該種技術(shù)在4D打印領(lǐng)域并未獲得廣泛應(yīng)用。

燒結(jié)與固化成型技術(shù)包括粉末燒結(jié)固化和紫外線(xiàn)光固化，其打印特點(diǎn)在于依靠粉末狀或液態(tài)材料自身的支撐作用，可制造懸空、層疊等復(fù)雜的立體造型。但該技術(shù)打印成本相對(duì)較高，因此在4D打印領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

數(shù)學(xué)建模

無(wú)論傳統(tǒng)的制造業(yè)還是3D打印，其造物過(guò)程一般是先模擬、后制造，或者一邊建物，一邊調(diào)整模擬效果。由于4D打印結(jié)構(gòu)體具有基于時(shí)間變化的特性，設(shè)計(jì)和制作流程中存在一個(gè)或多個(gè)中間形態(tài)。

傳統(tǒng)的3D打印技術(shù)，可以通過(guò)專(zhuān)業(yè)掃描儀或者DIY掃描設(shè)備獲取對(duì)象的3D數(shù)據(jù)，也可以使用3D制作軟件從零開(kāi)始建立三維數(shù)字化模型。不同于3D打印先建模、后生產(chǎn)的制造流程，4D打印由于其能夠變化的特性，在數(shù)字化建模之初，就將材料的觸發(fā)介質(zhì)、時(shí)間等變形因素，以及其它相關(guān)數(shù)字化參數(shù)預(yù)先植入打印材料中。

Gladman等人認(rèn)為，4D打印過(guò)程中需要適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型的支持。在該過(guò)程中存在的數(shù)學(xué)問(wèn)題包括：如何預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)體基于時(shí)間的形態(tài)變化過(guò)程，包括變化后的形態(tài)；如何提供避免自組裝行為過(guò)程中組件發(fā)生碰撞的理論模型；如何減少自組裝過(guò)程中的試錯(cuò)性行為。這些需要考慮的數(shù)學(xué)問(wèn)題，必須通過(guò)智能化的計(jì)算芯片加以判斷、解決。

刺激條件

刺激條件是驅(qū)動(dòng)4D打印物體發(fā)生形變的觸發(fā)器，需針對(duì)材料進(jìn)行選擇。常見(jiàn)的刺激條件包括熱刺激、水刺激、光刺激、電刺激、磁刺激等。

熱刺激4D打印技術(shù)主要基于熱敏型聚合物作為打印材料。形狀記憶功能源于分子鏈組成單元的玻璃化轉(zhuǎn)變或熔融轉(zhuǎn)變和馬氏體正逆相變。熱刺激4D打印技術(shù)的驅(qū)動(dòng)過(guò)程如下：首先3D打印出具有初始形狀的組件，當(dāng)組件溫度高于聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，將組件從初始形狀調(diào)整為臨時(shí)形狀，保持臨時(shí)形狀并將其冷卻至玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下，以使臨時(shí)形狀穩(wěn)定；當(dāng)再次加熱至玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上時(shí)，組件可恢復(fù)為初始形狀，實(shí)現(xiàn)形狀記憶功能。在實(shí)際應(yīng)用中，還可以使用具有不同玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的材料控制部件的局部變形。

水刺激4D打印的材料通常以親水性材料作為基質(zhì)，其與水分子結(jié)合時(shí)體積發(fā)生變化，進(jìn)而產(chǎn)生形變。由于水環(huán)境往往屬于全局刺激，因此，實(shí)現(xiàn)水刺激4D打印需要考慮的主要問(wèn)題是制備具有水環(huán)境中溶脹各向異性的打印材料，使變形的方向得到準(zhǔn)確控制。水刺激4D打印技術(shù)往往可以實(shí)現(xiàn)很大程度的變形，且打印材料相對(duì)容易制造，不需要復(fù)雜的打印設(shè)備，因此在醫(yī)療康復(fù)、水下設(shè)備等領(lǐng)域有著很大的應(yīng)用價(jià)值。

光刺激4D打印的材料通常是由光敏型形狀記憶聚合物構(gòu)成，可通過(guò)吸收光波能量轉(zhuǎn)化為熱量，進(jìn)而引發(fā)形狀記憶效應(yīng)。與熱刺激4D打印技術(shù)相比，光刺激由于便于能量聚焦具有更高的靈活性和區(qū)域性，可有選擇地對(duì)局部或整體實(shí)施光照產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)。此外，光刺激4D打印技術(shù)更便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，多用于二維記憶材料的自動(dòng)展開(kāi)和折疊動(dòng)作設(shè)計(jì)。

電刺激4D打印可分為直接電刺激和電熱刺激。直接電刺激利用材料的逆壓電效應(yīng)，也稱(chēng)電致伸縮效應(yīng)。當(dāng)材料被施加電場(chǎng)時(shí)，晶體被激發(fā)產(chǎn)生振動(dòng)，從而使材料產(chǎn)生機(jī)械變形，去除電場(chǎng)后，材料恢復(fù)原狀；電熱刺激要素是利用電流的電阻發(fā)熱效應(yīng)使材料產(chǎn)生變形，其本質(zhì)仍為熱刺激要素。電刺激的優(yōu)勢(shì)在于可以實(shí)現(xiàn)4D打印的內(nèi)部控制，將電熱材料嵌入到熱敏材料內(nèi)部，可實(shí)現(xiàn)材料內(nèi)部的局部變形控制。此外，此類(lèi)刺激方式可排除環(huán)境溫度的影響，比如可以實(shí)現(xiàn)在寒冷等特殊工作環(huán)境下的行為控制。

磁刺激4D打印通過(guò)在聚合物中區(qū)域性地添加磁性顆粒，利用外部磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)變形控制。由于磁力的非接觸特性，磁刺激的4D打印技術(shù)對(duì)環(huán)境的依賴(lài)性小，可以實(shí)現(xiàn)“遠(yuǎn)程控制”。已有研究表明，由于磁場(chǎng)可以實(shí)現(xiàn)快速變化，因此磁刺激的變形界面組件通常具有更快的響應(yīng)速度。磁刺激要素同樣可分為直接響應(yīng)和間接響應(yīng)兩種實(shí)現(xiàn)方式。直接響應(yīng)是使用混合有磁性顆粒的基質(zhì)3D打印成初始形狀，當(dāng)其置于磁場(chǎng)中時(shí)，基體中的磁性顆粒的磁場(chǎng)會(huì)對(duì)施加的磁場(chǎng)做出響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)變形。眾所周知，磁性本身就具有良好的記憶功能，尤其是具有較大的矯頑力和飽和磁化強(qiáng)度的永磁材料，可使4D打印產(chǎn)品具有更長(zhǎng)的使用壽命和更大的變形響應(yīng)，而且磁性材料大多具有較高的各向異性，有利于控制4D打印變形的方向；間接響應(yīng)法是基于磁性顆粒在磁場(chǎng)中的磁熱效應(yīng)，當(dāng)磁性顆粒被施加交變磁場(chǎng)時(shí)，由于磁疇的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生熱量，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)元件，該方法的本質(zhì)屬于熱刺激要素。

4D打印陶瓷

由于陶瓷有熔點(diǎn)高的特性，因此難以用傳統(tǒng)的激光打印方法來(lái)制造陶瓷。而現(xiàn)在用3D打印的陶瓷前驅(qū)體通常難以變形，因此阻礙了一些形狀復(fù)雜陶瓷的生產(chǎn)。

2018年，香港城市大學(xué)呂堅(jiān)教授研究組全球首次實(shí)現(xiàn)了陶瓷的4D打印。呂堅(jiān)教授研究組從材料出發(fā)，開(kāi)發(fā)了不同系統(tǒng)的硅膠基質(zhì)納米復(fù)合彈性體材料作為陶瓷前驅(qū)體。這些彈性體材料的特性使其可以完成從3D打印到變形的過(guò)程，并且最終轉(zhuǎn)變?yōu)樘沾山Y(jié)構(gòu)，從而逐步實(shí)現(xiàn)打印陶瓷折紙結(jié)構(gòu)和4D打印陶瓷。

通過(guò)陶瓷折紙打印獲得的結(jié)構(gòu)（來(lái)源：Liu, Guo, et al.，《Origami and 4D printing of elastomer-derived ceramic structures》）

在陶瓷折紙打印技術(shù)基礎(chǔ)上，研發(fā)團(tuán)隊(duì)將陶瓷折紙技術(shù)中手動(dòng)的步驟進(jìn)行數(shù)字化和自動(dòng)化，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了陶瓷的4D 打印。這一過(guò)程可以通過(guò)多種方法實(shí)現(xiàn)。  

第一種方法是通過(guò)拉伸機(jī)對(duì)前驅(qū)體進(jìn)行拉伸，并在拉伸后的基底上打印連接點(diǎn)，再將另一個(gè)打印好的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行固定。當(dāng)拉伸機(jī)解除作用于基底的應(yīng)力后，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲變形，再由熱處理后進(jìn)而形成4D打印的陶瓷結(jié)構(gòu)。

方法一（來(lái)源：Liu, Guo, et al.，《Origami and 4D printing of elastomer-derived ceramic structures》）

第二種方法是通過(guò)將陶瓷前驅(qū)體按照設(shè)計(jì)好的紋路打印在預(yù)拉伸的陶瓷前驅(qū)體上，在預(yù)應(yīng)力被釋放時(shí)，就會(huì)發(fā)生4D變形。通過(guò)設(shè)計(jì)在預(yù)拉伸表面打印的路徑可以控制應(yīng)力釋放后的4D變形。文中以幾個(gè)有代表性的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為例子，展示了彎曲，螺旋和馬鞍面的打印過(guò)程。

方法二（來(lái)源：Liu, Guo, et al.，《Origami and 4D printing of elastomer-derived ceramic structures》）

相關(guān)研究工作以“Origami and 4D printing of elastomer-derived ceramics”為題發(fā)表在《Science Advances》上。

（來(lái)源：Science Advances）

在此工作的基礎(chǔ)上，同時(shí)受中國(guó)傳統(tǒng)陶藝啟發(fā)，呂堅(jiān)教授研究組利用陶瓷前驅(qū)體材料的易加工性，集成陶瓷4D打印系統(tǒng)與減材制造、異質(zhì)工程、表面工程等技術(shù)，提出了4D增減材復(fù)合制造陶瓷的新概念。相關(guān)研究成果于2023年7月30日以“4D additive–subtractive manufacturing of shape memory ceramics”為題發(fā)表在國(guó)際著名期刊《Advanced Materials》上。

（來(lái)源：Advanced Materials）

該工作首次實(shí)現(xiàn)了4D增減材復(fù)合制造陶瓷，亦首次實(shí)現(xiàn)了4D打印形狀記憶陶瓷。該工作提出的4D增減材復(fù)合制造形狀記憶陶瓷技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高精度（十微米級(jí)），大尺寸（十厘米級(jí)），超快的前驅(qū)體轉(zhuǎn)變?yōu)樘沾傻乃俣龋◣酌腌妰?nèi)），以及前驅(qū)體材料的快速制造（批量生產(chǎn)能力），有力推動(dòng)了陶瓷4D打印技術(shù)的潛在應(yīng)用發(fā)展，有望應(yīng)用于航空航天（全陶瓷整體渦輪葉盤(pán)、可變形熱防護(hù)系統(tǒng)，太空折疊系統(tǒng)，在軌制造和修復(fù)，原位太空打印和殖民等）、3C電子（可折疊陶瓷手機(jī)背板、微機(jī)電系統(tǒng)等）、生物醫(yī)療（生物植入物等）、和藝術(shù)（文物研究和修復(fù)、首飾、裝飾品等）等領(lǐng)域。

（來(lái)源：Liu, Guo, et al.，《4D additive–subtractive manufacturing of shape memory ceramics》）

參考資料：

1、王冠云等，《4D打印變形設(shè)計(jì)策略研究》

2、張亞蓮等，《增材制造技術(shù)的研究應(yīng)用進(jìn)展：由3D到4D》

3、馮韜等，《4D打印智能材料及產(chǎn)品應(yīng)用研究進(jìn)展》

4、軍事文摘，《4D打印技術(shù)及其軍事應(yīng)用前景》

5、知社學(xué)術(shù)圈，《Science Advances: 香港城市大學(xué)呂堅(jiān)教授組全球首創(chuàng)陶瓷4D打印》

6、Liu, Guo, et al.，《Origami and 4D printing of elastomer-derived ceramic structures》

7、Liu, Guo, et al.，《4D additive–subtractive manufacturing of shape memory ceramics》

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/長(zhǎng)安）

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