中國粉體網(wǎng)訊 2013年，在美國的TED會議上麻省理工學(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)便由原來的點線面體空間維度（3D）擴展到了時空維度（4D）。
4D打印發(fā)展歷程及技術(shù)特點（來源：馮韜等，《4D打印智能材料及產(chǎn)品應(yīng)用研究進展》）
4D打印技術(shù)的誕生可追溯至2007年美國國防高級研究計劃局（DARPA）開展的“可編程物質(zhì)”項目研究，該項目旨開發(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，實現(xiàn)根據(jù)需求在現(xiàn)場快速制造物資，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)動及傳感機制，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。可編程物質(zhì)的設(shè)想應(yīng)用包括三維實體顯示、可變形天線、可重構(gòu)電子設(shè)備以及多功能現(xiàn)場制造設(shè)備等。
DARPA計劃從模塊化機器人、新型材料、納米技術(shù)、微機電系統(tǒng)等多個領(lǐng)域?qū)删幊滩牧祥_展研究，共有包含麻省理工學(xué)院在內(nèi)的5所大學(xué)的研究團隊參與該項研究。麻省理工學(xué)院研究團隊在此項目支持下開發(fā)出可編程物質(zhì)執(zhí)行機構(gòu)，能夠根據(jù)溫度的變化展開或折疊，并以此為基礎(chǔ)制造出可自動折疊成飛機或艦船形狀的機器人。
此后，麻省理工學(xué)院在DARPA的資助下繼續(xù)開展一系列可編程物質(zhì)方向的研究，并于2011年建立了自組裝實驗室，最終促成4D打印技術(shù)的問世。
4D打印與3D打印的區(qū)別
4D打印其實是在3D打印技術(shù)的基礎(chǔ)上，增加了一個時間維度，通過可編程原理控制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)境刺激下可隨時間再次發(fā)生變化，實現(xiàn)自動形變、自動修復(fù)、自動組裝等功能，因此4D打印成為一種新型的以智能材料為驅(qū)動的變形實現(xiàn)技術(shù)。
3D打印與4D打印的技術(shù)關(guān)聯(lián)性（來源：王冠云等，《4D打印變形設(shè)計策略研究》）
與3D打印相同，4D打印是一種集材料科學(xué)、機械科學(xué)以及計算機科學(xué)等諸多學(xué)科高度交叉融合的先進制造技術(shù)。但又與3D打印不同，4D打印是一種具備動態(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，針對制造產(chǎn)品的形態(tài)、性能和功能方面的進一步發(fā)展。
3D打印與4D打印技術(shù)的區(qū)別對比（來源：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)，其依賴于時間，獨立于制造設(shè)備，并且其演變過程完全可預(yù)測、可設(shè)計和可控制。4D打印的先進性在于可以快速成型制造出具有環(huán)境自適應(yīng)性動態(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、無變化的穩(wěn)態(tài)特性。針對懸空、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)簡單結(jié)構(gòu)后，再由智能演變實現(xiàn)最終的產(chǎn)品形態(tài)和性質(zhì)，從而達到減少加工時間和材料的目的。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)的同時將其快速成型制造，從而實現(xiàn)智能產(chǎn)品的一體化成型制造。
4D打印技術(shù)要素
要實現(xiàn)4D打印技術(shù)有四個關(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
常見的智能材料包含形狀記憶合金、形狀記憶聚合物、光驅(qū)動型聚合物、水驅(qū)動型智能材料、磁驅(qū)動型智能材料、電驅(qū)動智能材料等，如Ni-Ti合金通過有機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，例如通過熔融成型方式獲得可抓取螺絲釘?shù)臋C械手、能夠舒展的花瓣模型、可以折疊的紙盒以及飛鳥模型等。
4D打印通過對智能材料的數(shù)學(xué)建�？梢詫崿F(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，擴展了設(shè)計思路；且4D打印制品自我修復(fù)與自我組裝特點能夠?qū)⒋笮椭破烦跏即蛴⌒⌒突�，克服�?a href="http://zhanqunliushi.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)計實體化的重要過程。比較常見的可用于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)是將各種熱熔性線狀材料加熱融化、打印粘連、再冷卻成型，例如常見的可熔融沉積打印的熱塑性塑料（PLA、ABS、PCL等）。該種技術(shù)打印簡單、材料易得，因此成為近年來發(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，其特點在于在打印過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)固化和紫外線光固化，其打印特點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
無論傳統(tǒng)的制造業(yè)還是3D打印，其造物過程一般是先模擬、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)體具有基于時間變化的特性，設(shè)計和制作流程中存在一個或多個中間形態(tài)。
傳統(tǒng)的3D打印技術(shù)，可以通過專業(yè)掃描儀或者DIY掃描設(shè)備獲取對象的3D數(shù)據(jù)，也可以使用3D制作軟件從零開始建立三維數(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等人認為，4D打印過程中需要適當?shù)臄?shù)學(xué)模型的支持。在該過程中存在的數(shù)學(xué)問題包括：如何預(yù)測結(jié)構(gòu)體基于時間的形態(tài)變化過程，包括變化后的形態(tài)；如何提供避免自組裝行為過程中組件發(fā)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(shù)學(xué)問題，必須通過智能化的計算芯片加以判斷、解決。
刺激條件
刺激條件是驅(qū)動4D打印物體發(fā)生形變的觸發(fā)器，需針對材料進行選擇。常見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)動過程如下：首先3D打印出具有初始形狀的組件，當組件溫度高于聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時，將組件從初始形狀調(diào)整為臨時形狀，保持臨時形狀并將其冷卻至玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下，以使臨時形狀穩(wěn)定；當再次加熱至玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上時，組件可恢復(fù)為初始形狀，實現(xiàn)形狀記憶功能。在實際應(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)合時體積發(fā)生變化，進而產(chǎn)生形變。由于水環(huán)境往往屬于全局刺激，因此，實現(xiàn)水刺激4D打印需要考慮的主要問題是制備具有水環(huán)境中溶脹各向異性的打印材料，使變形的方向得到準確控制。水刺激4D打印技術(shù)往往可以實現(xiàn)很大程度的變形，且打印材料相對容易制造，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，可通過吸收光波能量轉(zhuǎn)化為熱量，進而引發(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，可有選擇地對局部或整體實施光照產(chǎn)生驅(qū)動。此外，光刺激4D打印技術(shù)更便于實現(xiàn)遠程控制，多用于二維記憶材料的自動展開和折疊動作設(shè)計。
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)，也稱電致伸縮效應(yīng)。當材料被施加電場時，晶體被激發(fā)產(chǎn)生振動，從而使材料產(chǎn)生機械變形，去除電場后，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)勢在于可以實現(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，可實現(xiàn)材料內(nèi)部的局部變形控制。此外，此類刺激方式可排除環(huán)境溫度的影響，比如可以實現(xiàn)在寒冷等特殊工作環(huán)境下的行為控制。
磁刺激4D打印通過在聚合物中區(qū)域性地添加磁性顆粒，利用外部磁場實現(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)對環(huán)境的依賴性小，可以實現(xiàn)“遠程控制”。已有研究表明，由于磁場可以實現(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，當其置于磁場中時，基體中的磁性顆粒的磁場會對施加的磁場做出響應(yīng)，從而實現(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度的永磁材料，可使4D打印產(chǎn)品具有更長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中的磁熱效應(yīng)，當磁性顆粒被施加交變磁場時，由于磁疇的運動會產(chǎn)生熱量，進而驅(qū)動元件，該方法的本質(zhì)屬于熱刺激要素。
4D打印陶瓷
由于陶瓷有熔點高的特性，因此難以用傳統(tǒng)的激光打印方法來制造陶瓷。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)呂堅教授研究組全球首次實現(xiàn)了陶瓷的4D打印。呂堅教授研究組從材料出發(fā)，開發(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打印到變形的過程，并且最終轉(zhuǎn)變?yōu)樘沾山Y(jié)構(gòu)，從而逐步實現(xiàn)打印陶瓷折紙結(jié)構(gòu)和4D打印陶瓷。
通過陶瓷折紙打印獲得的結(jié)構(gòu)（來源：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)團隊將陶瓷折紙技術(shù)中手動的步驟進行數(shù)字化和自動化，進一步實現(xiàn)了陶瓷的4D 打印。這一過程可以通過多種方法實現(xiàn)。
第一種方法是通過拉伸機對前驅(qū)體進行拉伸，并在拉伸后的基底上打印連接點，再將另一個打印好的拓撲結(jié)構(gòu)進行固定。當拉伸機解除作用于基底的應(yīng)力后，拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲變形，再由熱處理后進而形成4D打印的陶瓷結(jié)構(gòu)。
方法一（來源：Liu, Guo, et al.，《Origami and 4D printing of elastomer-derived ceramic structures》）
第二種方法是通過將陶瓷前驅(qū)體按照設(shè)計好的紋路打印在預(yù)拉伸的陶瓷前驅(qū)體上，在預(yù)應(yīng)力被釋放時，就會發(fā)生4D變形。通過設(shè)計在預(yù)拉伸表面打印的路徑可以控制應(yīng)力釋放后的4D變形。文中以幾個有代表性的拓撲結(jié)構(gòu)作為例子，展示了彎曲，螺旋和馬鞍面的打印過程。
方法二（來源：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。
（來源：Science Advances）
在此工作的基礎(chǔ)上，同時受中國傳統(tǒng)陶藝啟發(fā)，呂堅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)表在國際著名期刊《Advanced Materials》上。
（來源：Advanced Materials）
該工作首次實現(xiàn)了4D增減材復(fù)合制造陶瓷，亦首次實現(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)可實現(xiàn)高精度（十微米級），大尺寸（十厘米級），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、可變形熱防護系統(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（可折疊陶瓷手機背板、微機電系統(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)計策略研究》
2、張亞蓮等，《增材制造技術(shù)的研究應(yīng)用進展：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》
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/長安）
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