與3D打印相比,4D打印增加了一個可變維度,其核心是材料自組裝,即在3D打印過程中,在預(yù)先設(shè)定的部位內(nèi)置入智能材料。打印完成后,將產(chǎn)品置于特定的環(huán)境中,智能材料在外界環(huán)境的作用下發(fā)生物理或化學(xué)變化,導(dǎo)致產(chǎn)品形狀、強(qiáng)度等發(fā)生改變,最終按照產(chǎn)品設(shè)計(jì),折疊成相應(yīng)形狀。

4D打印技術(shù)更多地依賴材料,而非打印技術(shù)。它所需要的并非一般的普通材料,而是帶有記憶功能的智能材料,是一種能夠感知外部刺激,并能夠通過判斷而進(jìn)行自我變形、組裝的新型功能材料。該材料不僅具備可打印性,還要具有傳感功能、反饋功能、信息識別與積累功能、響應(yīng)功能、自我變形能力、自我組裝能力、自我診斷能力、自我修復(fù)能力和超強(qiáng)適應(yīng)能力,以及快速響應(yīng)的變形組裝能力?，F(xiàn)階段,4D打印所需要的材料一般包括電活性聚合物、形狀記憶材料、壓電材料、電磁流變體、磁致伸縮材料等。除了對材料要求較高以外,4D打印還需要具備觸發(fā)智能材料自我改變的“催化劑”。根據(jù)不同的打印材料,這一“催化劑”可以是水,也有可能是光、熱、聲音、震動、氣體等,當(dāng)觸發(fā)介質(zhì)發(fā)生變化時,4D打印材料會自動響應(yīng),改變形態(tài)。

美國研究機(jī)構(gòu)將4D打印技術(shù)研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)集中在智能材料領(lǐng)域。美國各大學(xué)的硏究機(jī)構(gòu)紛紛參與4D打印智能材料的研發(fā)。

美國哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院、匹茲堡大學(xué)斯旺森工程學(xué)院、伊利諾伊大學(xué)的研究人員共同運(yùn)用其在納米和微觀層面操縱材料的技術(shù)能力與研究優(yōu)勢,研究出可以隨著時間推移修改結(jié)構(gòu)的仿生復(fù)合材料。這種材料能夠根據(jù)外界刺激,重新調(diào)整形狀、性能或功能,具有自適應(yīng)、靈活輕盈、堅(jiān)固等特點(diǎn),而不是靜態(tài)或簡單地改變形狀的材料,這也為生產(chǎn)新一代智能傳感器、涂料、紡織品及結(jié)構(gòu)件開辟了新途徑。

美國佐治亞理工學(xué)院和新加坡科技與設(shè)計(jì)大學(xué)的研究人員共同研發(fā)了可制造出由組件自行折疊形成的3D物體。這些組件可以壓扁或卷成管狀,并能以準(zhǔn)確定時的方式對溫度、濕度或光線等刺激做出反應(yīng),從而形成立體結(jié)構(gòu)。這項(xiàng)研究成果利用多種不同的智能形狀記憶聚合物材料,按照設(shè)計(jì)好的模式制作出自折疊結(jié)構(gòu)。

4D打印可以實(shí)現(xiàn)由-種三維結(jié)構(gòu)變形成另-種三維結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的可變化也為4D打印技術(shù)帶來廣闊的應(yīng)用前景,例如,4D打印有利于新型醫(yī)療植入物的制造。對于心臟支架而言,如果采用4D打印技術(shù),將不再需要給病人做開胸手術(shù),可通過血液循環(huán)系統(tǒng)注射攜帶設(shè)計(jì)方案的智能材料,到達(dá)心臟指定部位后自我組裝成支架;

4D打印生產(chǎn)的武器裝備可根據(jù)環(huán)境和攻擊目標(biāo)而優(yōu)化武器攻擊性能，從而提高作戰(zhàn)效能。美國陸軍和海軍已經(jīng)考慮采用4D打印技術(shù)制造軍事裝備零部件,以減少因運(yùn)輸和儲存帶來的巨大成本和損耗,啟動具有適應(yīng)各種地形的車輛研發(fā)制造；4D打印可使智能材料感知外光的變化，自動實(shí)現(xiàn)與周圍環(huán)境融為一體，從而改善偽裝效果，設(shè)計(jì)生產(chǎn)“自適應(yīng)偽裝作戰(zhàn)服”。該作戰(zhàn)服如果成功，則具有以下三個方面的典型特色：（1）隱身功能，該服裝能在不同的環(huán)境下自由變換色彩，實(shí)現(xiàn)士兵的自適應(yīng)隱身；（2）適穿功能，根據(jù)溫度的變化自動調(diào)節(jié)服裝厚度和透氣性，實(shí)現(xiàn)士兵的自適應(yīng)舒適性；（3）防彈功能，根據(jù)所受外力自動調(diào)節(jié)軟服裝外圍硬度，平時穿著柔軟如織，遇子彈襲擊堅(jiān)硬如鋼，實(shí)現(xiàn)士兵的自適應(yīng)保護(hù)。

大型軍用構(gòu)建制造的成本控制一直是個難題，然而利用4D打印技術(shù)可以大為改善，我們可以控制智能材料的關(guān)鍵部位敏感部位，把大型構(gòu)件設(shè)計(jì)成折疊狀，然后利用3D打印機(jī)得到半成品，通過特殊的參數(shù)刺激控制來實(shí)現(xiàn)大型軍用構(gòu)件的自動展開。例如將4D打印技術(shù)應(yīng)用于軍用人造衛(wèi)星，通過該技術(shù)的自動展開和組裝功能快速成型帆板和天線等大型構(gòu)件，將大大減少機(jī)械部件的數(shù)量和重量，降低發(fā)射軍用衛(wèi)星所需成本。

試想戰(zhàn)機(jī)的各個部件若用4D打印技術(shù)制造，則何懼?jǐn)橙伺诨鸸?，損壞的部件會快速被生長出的新部件所取代，完好如初。

預(yù)計(jì)在2019年,全球4D打印市場規(guī)模將達(dá)到6300萬美元,2025年將上升至5.3億美元。其中,預(yù)計(jì)2019年~2025年亞太地區(qū)的復(fù)合年增長率最高,將會達(dá)到51.75%。從企業(yè)競爭態(tài)勢看,全球最大的二維/三維設(shè)計(jì)和工程軟件公司歐特克(Autodesk)、3DFSystems等在4D打印市場上已有布局,且處于領(lǐng)先位置。其中,歐特克(Autodesk)及Stratasys參與了麻省理工學(xué)院的4D打研發(fā)項(xiàng)目,歐特克向麻省理工學(xué)院提供了4D打印輔助軟件Cyborg,Stratasys正在開發(fā)不同硬度及彈性的新型材料。

隨著4D打印的出現(xiàn)，有望推動個性化訂制向私人化工廠發(fā)展。4D打印技術(shù)出現(xiàn)后,其所改變的將不再只是個性化訂制問題,而是讓每個人實(shí)現(xiàn)自定義工廠、自主化生產(chǎn)成為可能。另外,當(dāng)前以商品或設(shè)備整體銷售為主的商業(yè)模式將得以改變,消費(fèi)者所購買的將不再是已有的固態(tài)產(chǎn)品,而是根據(jù)自己的需求購買相應(yīng)的經(jīng)4D打印的關(guān)鍵部件,通過外部環(huán)境的變化實(shí)現(xiàn)物件的動態(tài)調(diào)整。