3D打印技術方興未艾，4D打印已悄然興起。隨著智能制造和先進材料科學的快速發展，4D打印技術應運而生，并與3D打印、智能材料和可編程物質相互促進、共同發展，在眾多領域展現出廣闊的應用前景。那么，4D打印究竟是什么？如何實現4D打印？4D打印技術在哪些領域有所應用？本期，我們將帶您了解塑造未來的4D打印。
2012年，在麻省理工學院的TED大會上，Skylar Tibbits展示了通過3D打印的靜態物體如何隨著時間的推移發生轉變。這在3D打印中引入了一個新的維度——時間。從此，拉開了被稱為第四維打印（4D打印）新時代的序幕。目前，對于4D打印已經提出了許多定義與描述，開始是4D打印只是具有時間的3D打印。但更加準確的定義是：“4D打印是當3D打印結構在暴露于熱、光、水、酸堿度等條件下，隨著時間的推移，其形狀、性能和功能發生變化?！彼粌H可以實現復雜結構的打印，還可以賦予打印件自適應、自修復等智能功能，從而在航空航天、生物醫學、軟體機器人等領域展示出巨大的應用潛力。
根據最新的數據，2024年4D打印的市場規模估計為4.5億美元，并預計到2029年將達到28.5億美元，其中蘊含了無限的增長潛力。4D打印技術的興起，標志著制造業向智能化和個性化方向發展，將深刻影響人類生活的方方面面。
打印技術：可以采用各種增材制造技術，如 FDM、SLA 等，關鍵在于材料與打印機的兼容性。不同的打印技術適用于不同類型的智能材料和結構，例如 FDM 適用于打印熱塑性形狀記憶材料，SLA 適用于打印光敏樹脂材料。智能材料：能夠對特定刺激做出響應，例如水凝膠、形狀記憶材料、光敏材料、電活性聚合物等。智能材料的種類繁多，每種材料都有其獨特的響應機制和應用場景。例如，水凝膠對濕度敏感，能夠吸收水分并膨脹；形狀記憶材料對溫度敏感，能夠隨著溫度的變化而變形或記憶形狀；光敏材料對光敏感，能夠吸收光能并產生熱效應，進而發生形變；電活性聚合物對電敏感，能夠通過電流產生熱效應，進而發生形變。刺激：包括物理、化學或生物刺激，如溫度、濕度、光、磁場、pH值、酶等。不同的刺激可以觸發不同的智能材料產生不同的響應，例如溫度可以觸發形狀記憶材料的變形，光可以觸發光敏材料的形變，磁場可以觸發磁性材料的形變。相互作用機制和數學建模：用于規劃和控制形狀變化的順序和持續時間，確保打印結構按照預期進行變形。數學模型可以幫助工程師預測和控制 4D 打印結構的形狀變化行為，從而實現精確控制。例如，可以使用有限元分析軟件模擬 4D 打印結構的變形過程，并根據模擬結果調整打印參數和材料設計。F.Momeni和J.Ni提出了三條定律來解釋4D打印結構的形狀變化行為：第一定律：所有形狀變化行為（如卷曲、扭曲、彎曲等）都是由于活性材料和惰性材料之間的相對膨脹引起的。第二定律：多材料4D結構的形狀變化能力背后有四個物理因素：質量擴散、熱膨脹、分子轉化和有機生長。第三定律：幾乎所有多材料4D打印結構的形狀變化行為都由兩種時間常數控制。4D打印材料通常被稱為智能材料，因為它們能夠隨時間改變其性質。根據對不同刺激的響應，智能材料可以分為以下幾類：水分響應材料：如水凝膠，對濕度敏感，能夠吸收水分并膨脹。光響應材料：如光敏樹脂，對光敏感，能夠吸收光能并產生熱效應，進而發生形變。溫度響應材料：如形狀記憶聚合物 (SMP) 和形狀記憶合金 (SMA)，對溫度敏感，能夠隨著溫度的變化而變形或記憶形狀。磁響應材料：如磁性納米顆粒，對磁場敏感，能夠在外部磁場的作用下發生形變。電響應材料：電活性聚合物，如聚吡咯，對電敏感，能夠通過電流產生熱效應，進而發生形變。
4D打印材料：(a)光響應材料；(b)電響應材料；(c)基于SMP電路，(d)開和關的響應；(e)4D打印立方體的折疊過程（圖片來源：Nature）
4D打印的應用
4D 打印技術在各個領域都有廣泛的應用前景，例如：生物醫學：可用于制造可變形支架、人工器官和組織工程支架，提高治療效果和患者舒適度。例如，4D打印的血管支架可以根據血管的擴張和收縮進行自適應調整，從而減少血栓形成的風險。航空航天：可用于制造自適應結構，如可展開天線和變形機翼，提高飛行效率和性能。例如，4D打印的機翼可以根據飛行速度和高度進行自適應調整，從而提高燃油效率和飛行性能。建筑：可用于制造自適應建筑材料，如能夠自我修復的混凝土，延長建筑使用壽命。例如，4D打印的混凝土可以在出現裂縫時自動修復，從而延長建筑的使用壽命。消費品：可用于制造可變形玩具、服裝和家具，提升用戶體驗和產品功能。例如，4D 打印的玩具可以根據孩子的喜好進行變形，從而提升孩子的興趣和想象力。
生物醫學應用：(a) 4D 打印生物材料的形狀變化和定型；（b）立方體的自折折紙；（c）基于 ITOP 的組織和器官打?。▓D片來源：Nature）智能材料的開發：需要開發更多種類和性能更好的智能材料。打印工藝的優化：需要優化打印工藝以獲得更好的形狀變化精度和可控性。數學模型的建立：需要建立更精確的數學模型來預測和控制4D打印結構的形狀變化行為。成本問題：4D打印的成本仍然較高，需要進一步降低成本才能實現大規模應用。多材料打印：4D打印技術將逐漸實現多材料打印，可以制造出具有更多功能和復雜結構的打印件。集成其他技術：4D打印技術將與其他技術（如人工智能、物聯網等）進行集成，實現更智能、更高效的應用。個性化定制：4D打印技術將實現個性化定制，可以根據用戶的需求和喜好制造出獨一無二的打印件。
4D打印技術是一項具有巨大潛力的技術，將為人類社會帶來更多創新和便利。隨著技術的不斷發展，4D打印技術將會在各個領域發揮越來越重要的作用，塑造未來世界。
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