4D打印技术及其应用发展

4D打印技术及其应用发展 李阳 天津大学机械学院机械工程专业2015级硕士生 摘要:所谓4D打印是指智能材料的增材制造，智能材料结构在3D打印基础上在外界环境激励下随着时间实现自身的结构变化。4D打印是3D结构打印与智能材料性能的结合。阐述4D打印的概念，介绍了该技术在不同领域中的应用，并分析了4D打印技术发展的趋势。 关键词:4D打印 应用 发展趋势 随外界环境发生相应变化的。借助4D打印 技术制造出的智能结构，可以发生由一维或0 前言 二维结构向三维结构的变化，或者由一种三 基于“增材加工”理念的3D打印技术，维结构变形成另一种三维结构。 被赞誉为第三次工业革命的影子，如今发展1.1 4D技术的产生 了20余年，已经风靡全球，在医学，建筑， 早在2011 年，蒂比茨就提出了材料自机械等各行各业应用广泛，给制造业带来了组装的概念，并进行了一系列探索性研究，巨大变革。但3D打印技术典型特点是其产这正是4D 打印技术的雏形和基础。 品在打印完后，形状，性能，结构等一成不现代制造业中，几乎每一领域都存在大变。随着科技发展，目前处于成长期的3D量繁杂不堪的装配工作。蒂比茨在组织制作打印技术有了新的科技内涵，除了能够展示建筑模型的过程中耗费了大量人力、财力。物体的长宽高之外，现在还能加入时间元试想如果使物理材料增添一种自组装能力，素，使打印的物体可以随时间发生颜色，形必将会使制造业产生革命性的变革。因此他状，性能等的变化，非常神奇。2013年2决定率其团队研究如何通过给物理材料编月，MIT高级研究员斯凯拉?蒂比茨成功演程来使其具备自主重构的能力。 示3D打印的绳子与水接触后能自动折叠成事实上，随着科学技术的发展，在微纳MIT字样等立体结构，震惊世界，这意味着米技术领域业已开展了一些智能材料的自4D打印技术悄然诞生。 组装研究。在此背景下，蒂比茨首先提出了 将基于纳米科技的可编程材料与建筑设计1 4D打印的概念内涵 相融合的思想。这种结合并非是自动化机 4D打印技术与3D打印技术从字面相比械，也不是智能机械对于人类劳动力的取较，多了一个“D”。多出的这个“D”是指代，而是通过应用可编程材料，实现自我构时间维度，准确地说是一种新型能够自动变建和重组装。在阐述4D 打印技术时，蒂比形的材料(智能材料)，不需要借助于任何茨是这样描述的:“由3D 打印的结构件实现复杂的机电设备，就能按照事先所设计的产宏观尺度上的自我重组装，即成为4D 打印品自动折叠成相应的形状，并满足性能要技术。该打印技术源于对复合材料的使用。求。简单来说就是打印材料的“自我装配”，正是复合材料，给打印后的产品增加了一种即材料自动变成为预设的模型。 变形和自组装能力。当产品打印完毕后， 它 4D打印的创新点在于“变”，它是一个可直接自主地从一种形状变为另外一种形动态的过程，它不但能够创造出有智慧，有状，如同没有电线和发动机的机器人一样。” 适应能力的新事物，而且可以彻底改变传统2013年2月，MIT高级研究员斯凯拉?蒂比的工业打印。4D打印制造的三维实体结构不茨成功演示3D打印的绳子与水接触后能自再是静止的、无生命的，而是智能的、可以动折叠成MIT字样等立体结构，震惊世界， 这意味着4D打印技术悄然诞生。出“自适应伪装作战服”。这种用4D打印技 术制成的作战服有如下神奇功能性的革命 变化。 用 4 D 打 印技术制作的作战服，因为可以 根据外界环境的变化而变化， 所以有相当 的“智能”其功能更强大，让士兵穿着起来 更贴身、更称心。 图1 绳子变形为“MIT” 1.2 技术核心 4D打印物体可以说是具有生命的，而且 更为智能，该技术的关键在于其所使用的材 料和合适的触发条件。 4D打印所用的特殊材料，是通过将“形 状记忆”聚合纤维加入传统3D打印使用的 图2 作战服功能图 复合材料中而形成的。通过编程需要将想要 的形状输入材料当中，变形材料就会自适应 4D打印技术在军事上的应用，不仅仅体地按照预先的设定完成变形。该种材料特性现在作战服装的制作上，还有着更广泛的应在于:材料的可变形性、可编程性。目前，用。 美研究员H.杰里奇和新加坡科技设计大学 现在有的国家已经成功地用3D打印技术的邓恩共同开发研究4D打印技术新型复合制造出军工部件，但是把这些部件组装成一材料。随着3D打印技术的日臻成熟，未来件件完整的军事用品需要大量的人力。用4D4D打印技术研究的热点和重点将集中在新打印技术制造出的这些部件，则不需要人工型打印材料上。 组装，因为它们在被打印出来之后会实现自 另外，该种材料要实现自我组装需要一动“组装”，成为一件成品。飞机的各个部定的触发条件，即由外界提供一定的激发能件若用4D打印技术做成，如果被敌人的炮量。触发介质可以是水、空气、重力、磁性、火击中，那也不要紧，损害的部件会快速脱湿度或者温度等，当触发介质发生变化时，离飞机，然后再“生长”出新的部件，从而4D打印材料会自动响应，自动改变形态。 免于坠毁。 防御工事的外部罩壳用4D打印技术做2 4D打印技术的应用前景 成，受到炮火袭击后如有“裂痕”完全不要 4D打印技术多了一个时间维度，其产品紧，因为外部罩壳可以自行弥合裂痕，让防的灵活性、可变性可以轻松保证。4D打印技御工事坚固如初。利用4D打印技术还可以术在军事，生物医疗，工业建筑等领域有广给每个士兵开发出一件类似“万能胶囊”的泛的应用前景。 功能背包。这个背包平时与普通背包无异，2.1 在军事领域的应用 只是在海水里它可以立即膨胀变成一艘救 4D打印技术一经研发，立即引起了军生艇，高空坠落时又可以变成一顶降落伞，事专家的青睐。他们首先认定:这种技术在夜晚还可以变成一顶帐篷?? 作战服的制造中会有“大用途”——4D打印 4D打印技术在武器制造、防御工事建设、能够创造出有智慧、有适应能力的新式作战单兵装备等方面都有着非常广泛的应用前服，让作战服的材质和性能发生颠覆。 景——这种技术将改变战场模式，让未来战 美国陆军已投入大量资金开发4D打印争状况变得越来越“不可捉摸”。 技术在作战服方面的应用，将用4D打印技2.2 在生物医疗领域的应用 术开发 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，无疑是人类目前麻省理工学院自组装正在 与波士顿一家名为的公司开展合作, 开发健康医疗发展的福音。伴随着纳米技术与数 创新的基础设施管路制造。他说“ 字化制造在第四维空间研发的深入，4D打印这将可以进入非常微小的空间进行“工作”。种新型地下水管, 可以自由地膨胀或收缩, 麻省理工学院数学家丹雷维夫曾示，4D以此来控制过水的流量和流速, 或者还可打印有利于新型医疗植入物的发明。比如心以像蛇那样通过自身的蠕动来挤压,推动内脏支架，如果采用4D打印技术制造，将不部的水体流动。水管能够适应不同的容量或再需要给病人做开胸手术，可通过血液循环水流而自动进行扩张, 免去挖掘的麻烦。而系统注射入携带的智能材料，其到具有这种不可思议功能的管路并不昂贵,也达心脏指定部位后自我组装成支架。除此之不需要那些复杂的阀门控制系统,这就是该外，多自由度操作臂是微创技术未来发展的管路本身所具备的性质。”研究人员指出, 研究难点。李涤尘表示，他们正在自主研发该技术的下一个发展阶段包括打印4D片材,智能材料，并通过4D打印技术应用于多自如果可行的话,还会包括完整的建筑结构, 由度操作臂的制造研究中。“未来手术操作可以彻底改变传统的工业打印甚至建筑行臂可以通过食道、肛门等人的自然腔道进入业。 人体，并在体内任意更改方向。”李涤尘称，3 4D打印技术的发展趋势 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 4D打印技术及其在智能材料结构中的一种刚柔并济的操作臂柔性控制方法。 应用研究尚处于起步阶段。但是，其研究和 4D打印尤其是在癌症治疗方面将会有发展应用将对传统机械结构设计与制造带进一步的应用与发展。我们可以利用4D打来深远的影响。这一发展趋势体现在以下方印技术实现对人体细胞的打印。通过打印这面。 些纳米级与人体细胞类似的药物细胞，将相(1)4D打印智能材料，将改变过去“机对应的癌细胞病毒设置为介质触发源，然后械传动+电机驱动”的模式。目前的机械结将其注射到人体内环境。那么，当这些4D构系统主要是机械传动与驱动的传递方式，打印的“人体卫士”细胞在体内巡逻时，一未来走向功能材料的原位驱动模式，不再受旦遇到癌细胞就能触发形变，实现点对点的机械结构体运动的自由度约束，可以实现连药物释放，从而将癌细胞病毒消灭，并随人续自由度和刚度可控功能，同时自身重量也体代谢排出体外。4D打印在该方面的应用，会大幅度降低。研究发展多种适用于4D打或许将成为人类战胜癌症的一条有效技术印技术的智能材料，对不同外界环境激励产通道。由此以后，人类体内将常驻“人体卫生响应，响应变形的形式更多样化。目前4D士”——癌症疫苗，时刻监测着体内环境的打印智能材料的激励方式和变形形式比较癌细胞变化，彻底杜绝癌症病变的机会。同局限，Skylar Tibbits等目前正在研究开发样，对于人类所接触的一些未知病毒，也可可以对振动和声波产生响应的智能材料4D 以借助于4D打印技术以疫苗的形式注射进打印技术，随着4D 打印智能材料的多样化，人体进行预防。 4D打印技术的应用将更加广泛。 2.3 在工业建筑领域的应用 (2)大幅降低制造成本并取代人工组 把4D打印技术应用于城市管道建设，装成本。不论是现代制造技术，还是基于工将是一个了不起的建筑技术飞跃，管道的自业4.0、中国制造2025 的新制造技术，对动调整、自动组装和自动修复功能可以降低于生产复杂或者个性订制产品来说，制造和管道铺设的难度和成本，还可以轻松应对地组装成本都是偏高的，甚至还会随着部件的质灾害的发生，危险地区的工程将不再需要复杂程度同比例上涨。而在4D 打印技术支人的参与。人们只需在电脑上完成管道规划持下的产品制造，部件与产品本身结构的难和技术嵌入，接下来的一切只需“打印”。 易程度将变得不再重要。因为通过对整体产 品不同部件进行的一体化打印，以及可变形4D 打印技术运用而带来的新商业模式，还自组装将让组装成本化整为零，由此最大幅会对宜家这种以创意设计销售为主，尚需要度地降低产品的生产制造成本。4D 打印的用户自行组装完成产品的商业模式来说，也产品部件，将不再需要厂家或用户自行组将会是一种颠覆，因为4D 打印出来的产品装。厂商根据用户的需要，将所制造的产品将不再需要组装。 运送到指定地点放置好后，用户在需要的时4 结语 候直接给予介质触发，打印物就会实现自动 组装，这就取代了当前依赖人力进行组装搭 尽管4D 打印技术目前尚处于起步阶建或拆解的方式，人力成本也将由此得到释段，从概念?试验?成长?技术成熟?能满放。 足市场的应用仍有很长的路要走，还存在诸 (3)推动私人订制向私人工厂迈进。如智能材料缺少，打印机规模太小等问题，在3D 打印技术以前，私人个性化订制几乎但4D 打印技术由于能够创造出具有良好自不太可能，我们所有的消费只能基于工业批适应性的物体而被广泛看好。3D打印技术从量化生产而进行。对于制造商而言，他们需构想到成熟只用了20 年，所以我们有理由要通过对不同零部件及其供应链的整合，从相信随着科学技的进步，这些难点必将被攻而进行大规模的工业化、标准化、自动化生克，4D打印技术应用于生产将会成为一种可产来降低成本，提升企业效益，因此很难满能，并且在未来的制造领域中定会大显身足个性化需求。但到了3D打印时代，满足手。 消费者的个性化需求 参 考 文 献 将成为生产制造的基本要求，甚至根据用户[1] 李涤尘,刘佳煜等.4D打印-智能材料的增材制的喜好进行私人订制也不再是什么问题。4D 造技术[J].机电工程技 打印出现后，其所改变的将不再只是私人订[2] 沈国际,王平等.4D打印技术军事应用前景广制的问题，而是让每个消费者都可以实现自阔[N].科技日报,2014-11-24(12). 定义工厂、自主化生产。这与私人订制存在[3] 陈根.4D打印改变商业生态[N].北京科技的最大区别是，我们不仅可以表达自己的想报,2015-03-02(041). 法、构建自己的生活，还可以借助于4D打[4] 邓甲昊,王萱.4D打印一项左右未来世界产业 发展的革命性技术突破 印技术在家里定义属于自己的创新“工厂”。 (神奇的4D打印技术剖析[J].机械工程4)4D 打印将颠覆传统商业模式。[5] 曾亮华. 随着4D 打印技术的到来、成熟与普及，我师,2014,(12):119-120. 们现在以整体物件销售为主的模式将得到[6] 刘露.4D打印初现光芒,J,.科技视野，2014颠覆，一些关键零部件都将以配件的方式存(7):12-13. 在于各种商超之中。用户所购买的也将不再[7] Walton， Z. “4D printing is the future of 3D 是已有的产品固态，而是根据自己的想法购printing and it’s already here.” WebPro News 买相应的关键部件，然后将其与所打印的部(2013) . [8] http//www.sjet.us/MIT_4D%20PRINTING.html. 件进行连接，有效实现“独一无二”的创意 需求。由此所带来的商业模式改变将会是巨 作者简介:李阳，男，1991年出生，硕士研究生。 大的。一方面，当前以销售整体产品为主的 Email:liyang5537@tju.edu.cn 商场、超市，未来或将以提供4D 订制打印 服务与技术支持服务为主，不再以实际整体 产品的销售形式存在;另一方面，一些从事 于创意工作的人群，将通过为消费者提供创 意设计，并为其提供4D 打印服务而获得商 业价值;此外，还会催生出以零部件供应为 主的各种小型连锁商场、超市。同时，基于