3D打印技术方兴未艾，4D打印已悄然兴起。随着智能制造和先进材料科学的快速发展，4D打印技术应运而生，并与3D打印、智能材料和可编程物质相互促进、共同发展，在众多领域展现出广阔的应用前景。那么，4D打印究竟是什么？如何实现4D打印？4D打印技术在哪些领域有所应用？本期，我们将带您了解塑造未来的4D打印。
2012年，在麻省理工学院的TED大会上，Skylar Tibbits展示了通过3D打印的静态物体如何随着时间的推移发生转变。这在3D打印中引入了一个新的维度——时间。从此，拉开了被称为第四维打印（4D打印）新时代的序幕。目前，对于4D打印已经提出了许多定义与描述，开始是4D打印只是具有时间的3D打印。但更加准确的定义是：“4D打印是当3D打印结构在暴露于热、光、水、酸碱度等条件下，随着时间的推移，其形状、性能和功能发生变化。”它不仅可以实现复杂结构的打印，还可以赋予打印件自适应、自修复等智能功能，从而在航空航天、生物医学、软体机器人等领域展示出巨大的应用潜力。
根据最新的数据，2024年4D打印的市场规模估计为4.5亿美元，并预计到2029年将达到28.5亿美元，其中蕴含了无限的增长潜力。4D打印技术的兴起，标志着制造业向智能化和个性化方向发展，将深刻影响人类生活的方方面面。
打印技术：可以采用各种增材制造技术，如 FDM、SLA 等，关键在于材料与打印机的兼容性。不同的打印技术适用于不同类型的智能材料和结构，例如 FDM 适用于打印热塑性形状记忆材料，SLA 适用于打印光敏树脂材料。智能材料：能够对特定刺激做出响应，例如水凝胶、形状记忆材料、光敏材料、电活性聚合物等。智能材料的种类繁多，每种材料都有其独特的响应机制和应用场景。例如，水凝胶对湿度敏感，能够吸收水分并膨胀；形状记忆材料对温度敏感，能够随着温度的变化而变形或记忆形状；光敏材料对光敏感，能够吸收光能并产生热效应，进而发生形变；电活性聚合物对电敏感，能够通过电流产生热效应，进而发生形变。刺激：包括物理、化学或生物刺激，如温度、湿度、光、磁场、pH值、酶等。不同的刺激可以触发不同的智能材料产生不同的响应，例如温度可以触发形状记忆材料的变形，光可以触发光敏材料的形变，磁场可以触发磁性材料的形变。相互作用机制和数学建模：用于规划和控制形状变化的顺序和持续时间，确保打印结构按照预期进行变形。数学模型可以帮助工程师预测和控制 4D 打印结构的形状变化行为，从而实现精确控制。例如，可以使用有限元分析软件模拟 4D 打印结构的变形过程，并根据模拟结果调整打印参数和材料设计。F.Momeni和J.Ni提出了三条定律来解释4D打印结构的形状变化行为：第一定律：所有形状变化行为（如卷曲、扭曲、弯曲等）都是由于活性材料和惰性材料之间的相对膨胀引起的。第二定律：多材料4D结构的形状变化能力背后有四个物理因素：质量扩散、热膨胀、分子转化和有机生长。第三定律：几乎所有多材料4D打印结构的形状变化行为都由两种时间常数控制。4D打印材料通常被称为智能材料，因为它们能够随时间改变其性质。根据对不同刺激的响应，智能材料可以分为以下几类：水分响应材料：如水凝胶，对湿度敏感，能够吸收水分并膨胀。光响应材料：如光敏树脂，对光敏感，能够吸收光能并产生热效应，进而发生形变。温度响应材料：如形状记忆聚合物 (SMP) 和形状记忆合金 (SMA)，对温度敏感，能够随着温度的变化而变形或记忆形状。磁响应材料：如磁性纳米颗粒，对磁场敏感，能够在外部磁场的作用下发生形变。电响应材料：电活性聚合物，如聚吡咯，对电敏感，能够通过电流产生热效应，进而发生形变。
4D打印材料：(a)光响应材料；(b)电响应材料；(c)基于SMP电路，(d)开和关的响应；(e)4D打印立方体的折叠过程（图片来源：Nature）
4D打印的应用
4D 打印技术在各个领域都有广泛的应用前景，例如：生物医学：可用于制造可变形支架、人工器官和组织工程支架，提高治疗效果和患者舒适度。例如，4D打印的血管支架可以根据血管的扩张和收缩进行自适应调整，从而减少血栓形成的风险。航空航天：可用于制造自适应结构，如可展开天线和变形机翼，提高飞行效率和性能。例如，4D打印的机翼可以根据飞行速度和高度进行自适应调整，从而提高燃油效率和飞行性能。建筑：可用于制造自适应建筑材料，如能够自我修复的混凝土，延长建筑使用寿命。例如，4D打印的混凝土可以在出现裂缝时自动修复，从而延长建筑的使用寿命。消费品：可用于制造可变形玩具、服装和家具，提升用户体验和产品功能。例如，4D 打印的玩具可以根据孩子的喜好进行变形，从而提升孩子的兴趣和想象力。
生物医学应用：(a) 4D 打印生物材料的形状变化和定型；（b）立方体的自折折纸；（c）基于 ITOP 的组织和器官打印（图片来源：Nature）智能材料的开发：需要开发更多种类和性能更好的智能材料。打印工艺的优化：需要优化打印工艺以获得更好的形状变化精度和可控性。数学模型的建立：需要建立更精确的数学模型来预测和控制4D打印结构的形状变化行为。成本问题：4D打印的成本仍然较高，需要进一步降低成本才能实现大规模应用。多材料打印：4D打印技术将逐渐实现多材料打印，可以制造出具有更多功能和复杂结构的打印件。集成其他技术：4D打印技术将与其他技术（如人工智能、物联网等）进行集成，实现更智能、更高效的应用。个性化定制：4D打印技术将实现个性化定制，可以根据用户的需求和喜好制造出独一无二的打印件。
4D打印技术是一项具有巨大潜力的技术，将为人类社会带来更多创新和便利。随着技术的不断发展，4D打印技术将会在各个领域发挥越来越重要的作用，塑造未来世界。
此文由中国复合材料工业协会搜集整理编译，部分数据来源于网络资料。文章不用于商业目的，仅供行业人士交流，引用请注明出处。
