方恩印+葛惊寰+李春梅

4D打印的概念及延伸

起初，大家理解的4D打印，是指在平面印刷的基础上加入动感、嗅觉、听觉等人体感受，人们能够从中获得多方位的感受。在这个概念里的“动感”，通常是指采用图像处理技术，对原始图像进行分层、拉伸变形处理，印刷后，用光栅覆盖，以裸眼或佩戴3D眼镜的方法实现，此技术已发展得较为成熟；“嗅觉”则是通过分子扩散技术，将特定植物香料与催化剂、抑制剂混合，在印刷前，按比例均匀搅拌到油墨中，印刷完毕后，通过一定时间的沉香过程，即可使香料融入承印物中，带给人们不同的味觉体验，香料是直接从植物的花蕊、籽及叶中提取，对人体无害且无污染；“听觉”，是通过纽扣电池供电，使得杂志等印刷品在触碰翻页的同时，发出特定的响声，无线射频（RFID）充电技术与新型纸电池的结合与应用，更有利于有声报刊朝着更薄更环保的方向发展。4D打印概念的提出，将视觉、听觉和味觉引入到了传统的平面媒体中，从形式到内容全面改造了传统纸媒，给读者更加新鲜的感官体验。

随着科技的进步，人们对4D打印的概念又有了新的设想：利用3D打印技术可直接打印出所需物体，既节省劳力，又较为精确，那么是否能在打印之初，使用特殊材料进行设计，让输出的物体能够在外在因素改变时，根据预先的设定改变自身形状呢？

目前，美国麻省理工学院（MIT）和欧特克（Autodesk）等公司的研究人员正试图找到一种使3D打印品的形状根据环境自行发生改变的印刷方法，即在打印的概念中加入了时间元素，通过对特殊智能材料进行预编程，使得被打印物体随着时间的推移可实现形态上的自我调整与组装。现今，这一研究已经取得初步成效。

将打印好的类似绳索的线状物体放入水中，在较短的时间内，线状物体按照事先的“编程代码”发生了自主形变，形成了预想的“MIT”字样（如图1-a）；图1-b显示了打印好的线状物体，在水中形变为3维物体的过程；图1-c为MIT研究人员创造的一个平板，其在水中浸泡20分钟后，自行折叠成为了立方体。

本文所探讨的4D打印具有以下特点：①打印输出后自行组装；②在特定环境、刺激物体的诱导下能发生形变；③具有基于双稳态结构的柔性机构，可通过形变转移外力且可以在两种稳定的形态中来回切换；④具有形状记忆功能。

4D打印的构成要素

3D打印要预先建模、扫描，然后用相应的材料按照之前的计划完全复制。其输出的对象是固定的、静态的。如果你想要更复杂的东西，那么你需要打印多个零件，然后组装。

4D打印则是直接将想要的形状输入材料，然后打印输出，在特定的条件下，物体会“自动”出现，后续不需要任何组装设备与人员劳作。可以看出，对象前期的形状“编码”和材料选择及输出缺一不可。因此实现4D打印必须有三个要素：几何预编程软件、智能材料及3D多材料打印机。

1.几何预编程软件

2012年MIT与Autodesk 公司合作开发出了Project Cyborg设计软件。该软件是一个基于云计算的设计平台，目前以客户端的形式，通过网络-服务器-秘钥的方式提供给客户使用，可用于从纳米级到米级范围的物体设计，且同时提供建模、仿真及多目标优化设计，具有可模拟物体自组装和形变关节点的处理等功能。其目的是通过该软件的设计和演示，以虚拟的方式再现设计对象在现实世界中四维变化的过程。这一应用淘汰了先模拟再建设或建设之后再调整模型的传统方式。配套的硬件与其构成的工作流程可以对仿真过程中最终呈现的物体形态及所使用材料进行实时调整，提供自上而下和自下而上的物理和数字上的设计变革模式。

2.智能材料

所谓智能材料就是指具有感知环境（包括外环境和内环境）刺激，对之进行分析、处理、判断，并采取一定的措施并进行适度响应的智能特征的材料。其特征如下：①具有感知功能，能够检测并识别刺激强度，这些刺激包括光、电、应力、热、化学、应变、核辐射等；②能够响应外界变化，具有自驱动功能且反应比较灵敏；③能够按照“预设定”方式选择并控制响应，当刺激消除后，可迅速恢复到初始状态。智能材料的分类与构成如表1所示。

由于上述智能材料价格昂贵且属性也被限定，因此4D打印更倾向于使用日常材料，如塑料、金属和木材等，并将它们以智能的方法进行结合，通过打印机以不同的厚度和方位来结合和打印这些材料。由于在设计之初，诸如形状变化、自行组装所需的能量的多少等信息都以“编码”的方式包含在材料的属性中，所以打印出来的物体就可随环境变化做出反应，用以模仿由制动器、发动机和传感器来驱动的机器组装设备的运动。这项新科技来自于麻省理工学院的自组装实验室，Skylar Tibbits和他的团队正在对所谓的“可编程的材料”进行试验。研究人员用3D打印机打印出这些物质，然后观察它们在四维空间里改变形状或自动重组成新的模式，使得设计转化成产品时，更高程度的自动化装备过程成为可能。

目前，Stratasys公司研发出了一种动态材料，这种材料是由亲水聚合物构成，在遇到水的时候其长度可扩展为原来的1.5倍。打印机打印刚性聚酯材料的同时将动态材料置于刚性聚酯材料待变形的连接处，以便为刚性聚酯材料发生形变时提供动能。而刚性聚酯材料则是4D打印成品结构的主要组成部分，同时起到限制动态材料形变角度的作用。打印出的初始对象遇到水后，活性动态材料发生膨胀变形，迫使刚性聚酯材料弯曲，当该刚性聚酯材料触碰到相邻部件时，则强制停止折叠，从而形成最终的稳定状态。刚性聚酯和活性动态材料的位置和体积、内嵌几何编码的设计与布局使得对象在内部或外在环境的刺激下直接自组装为所需要的对象，无需其他外在人工干预。图2显示出4D打印项链的自组装过程。

3.3D多材料打印机

3D多材料打印机不同于多介质打印机，关键区别在于前者可适用于多种“油墨”，而后者是将固定的“油墨”打印在不同的材质上。3D打印机，即快速成形技术的一种机器，它是一种以数字模型文件为基础，运用特殊蜡材、粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印的设计过程是：将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即切片，从而指导打印机以层叠薄层的方式逐层打印。这里的层叠薄层的方式有多种，常见方式如表2所示。

一般3D打印机所使用的材料单一，更多依靠于材料的几何设计，不适用于多种类、不同用途智能材料的输出与打印。PolyJet 3D打印技术与3D打印机的有机结合可有效解决上述问题。采用PolyJet 3D打印技术的3D打印机拥有16个微米层，精确度高达0.1mm，适合制造光滑表面、薄壁和复杂的几何形状。是唯一支持从橡胶到坚硬材料、从透明到不透明材料等多种材料的技术，并且通过Objet Connex技术，甚至可以在同一零件中同时打印多种材料。

PolyJet 3D打印的工作原理与喷墨打印较为相似，将可固化的智能材料喷射在构建托盘上，而非一般的承印物上。其打印过程基本如下：①通过对“几何编码”后的智能材料预处理，计算出智能材料和支撑材料的准确位置。②3D打印机喷射微细颗粒智能材料并立即使用紫外线将其固化。薄层聚集在构建托盘上，形成精确的3D模型或原型。3D打印机会在悬垂部分或形状复杂需要支撑处喷射可去除的凝胶状支撑材料。③用水冲击或直接用手掰除支撑材料后，3D打印机生成的模型即可使用，无需后续固化。Stratasys公司的Objet 3D打印机是目前世界上唯一可提供多种材料灵活性制造的系统，可以在同一3D打印模型或同一打印作业中结合使用多种材料，实现多种应用，比如包覆成型、着色、使用不同材料实现同时打印等。在打印过程中，可以将两种材料相结合以创造具有特殊特性的复合数字材料。其中Object Connex系列3D打印机采用最先进PolyJet系统，常见Object Connex系列3D打印机如图3所示，其通过同时喷射多种材料将不同3D打印材料结合于同一模型，可以选择性地在一个打印原型中放置多种材料，甚至将两种或三种材料相结合以利用不同的、可预测的属性创造复合数字材料。例如，结合刚性和橡胶类材料模拟多种邵氏A硬度值，混合青色、品红色和黄色产生多种混合色调，甚至将橡胶类材料与色彩结合，创建观感更接近未来产品的鲜亮柔性原型，创建出色的接近最终产品实物的精密原型，生成复杂形状、繁杂细节和平滑表面。通过具有良好通用性的材料将有色的不同材料整合于一个模型。表3为Object Connex系列常见机型性能参数对照表。

4D打印的应用设想及挑战

随着“可编程”打印材料的出现，未来产品的属性和工艺已经发生了根本转变。打印后的智能材料以一种全新的装配方式出现在人们面前，产品将会根据使用者的需求（如生物信息、体温、汗水和内部压力等）做出相应的反应。同样，产品的适应性会更加突出，将感知环境的变化（如水分、温度、压力、高度、声音等），通过周围环境的不同能量进行自我重新配置、突变和复制。当这些“可编程”产品出现问题时，物体本身会进行误差纠正和自我修复，以满足新的需求。当物体用完，其亦可自行拆卸，人们只需将其回收，还原为基础材料循环利用即可。

1.4D打印的应用设想

2D打印技术是让信息在一个平面上得以表现，3D打印技术则让打印出来的对象成为有体积的静态立体物件。目前公布的4D打印系统已经将4D打印技术改进到实用性阶段，已能制造比沙发小的物体，使用的智能材料也比过去更简单、更小、更廉价。目前该领域的研究重点是：将4D打印技术应用于基础设施、军用、仓储物流等方面。

在基础设施方面，以管道系统为例，除内含昂贵的马达和阀门之外，水管有固定的流速，而且这整个系统都埋在地下，如果环境发生变化，以至于需要变动水管系统时，我们需要将他们全部挖出来，再重新建造水管系统。若水管应用4D打印技术，则其可以具有通过扩大或缩小来改变容量或改变流量的能力（如图4），就可以省去很多麻烦。另外，当地下水管破损时候，其还能感知环境变化并进行自我修复（如图5），可大大减低资源的浪费和人力的消耗。

在军用方面，美国政府授权哈佛大学、普林斯顿大学针对智能对象自组装及感知环境自变形方面进行研究与开发。如可自动搭建的避难所和桥梁；可感知外在环境（沙漠、陆地、沼泽）并进行颜色及形状变化的自适应伪装作战服，有效保护士兵安全；可感应士兵运动状态和外在环境变化的作战靴，在登山防滑靴、雪地保暖靴、运动防水靴之间实时变换。

随着电商的发展，在物流行业， 4D打印出来的自主装封装物体可大大减少运输、仓储过程中成品体积所占用的空间，无疑能带来巨大的经济效益。最近美国麻省理工学院的设计师正构思用4D打印技术制造裙子，它可被压缩成一团，受刺激后就可摊开成合身的长裙（如图6）。

2.4D打印面临的挑战

然而，4D打印在发展过程中也遇到了各种问题。首先，响应速度较慢，设计打印周期较长。设计前期需要对材料变形的连接处进行“预编程”，然后进行建模分层打印，通常来说一个设计打印周期长达数周。

其次，技术层次相对较高。目前人们对软件的应用更偏好于傻瓜式，而4D打印技术则要求操作人员具有较高的软件使用技能，包括设计软件、建模软件、打印驱动软件等，而且在设计构思之初，还需了解产品的相关属性，因此4D打印对工作人员的整体技术水平要求相对较高。

再次，耗材的性能决定了4D打印技术的应用范围。目前4D打印的耗材除常规智能材料（如聚酯、粉末颗粒、石膏等）以外，亟待开发其他新型智能材料以满足不同的用途，另外耗材在制造精度、强度和质感方面需进一步提高。

最后，制造成本较高。无论是软件投入、材料的应用，还是硬件购买，都决定了4D打印的成本相对较高，且单个产品的制造价格远远高于机械加工价格。综上所述，4D打印技术改变传统制造加工业，仍需相当长时间的发展。

4D打印技术是新时期印刷技术发展的一个里程碑，其将时间维度与传统的3D打印技术相结合，通过对特殊智能材料进行预编程，可随时间推移在宏观等级上实现被打印物体在形态上发生自我调整与组装。其维度的增加不仅可大大降低物体制造后仓储、运输及安装成本，且彻底颠覆了传统印刷的理念，这一新技术的发明与应用势必引起印刷与制造行业的巨大变革。