4D打印，準(zhǔn)確地說(shuō)是一種能夠自動(dòng)變形的材料，只需將其放入水中，不需要連接任何復(fù)雜的機(jī)電設(shè)備，就能按照產(chǎn)品設(shè)計(jì)自動(dòng)折疊成相應(yīng)的形狀。4D打印是由MIT與Stratasys教育研發(fā)部門(mén)合作研發(fā)的，是一種無(wú)需打印機(jī)器就能讓材料快速成型的革命性新技術(shù)。4D打印最關(guān)鍵是記憶合金。4D打印“延續(xù)了3D打印，并添加了變形維度”。

中文名

4D打印

外文名

4D Printing

概述

      所謂的4D打印，比3D打印多了一個(gè)“D”也就是時(shí)間緯度，人們可以通過(guò)軟件設(shè)定模型和時(shí)間，變形材料會(huì)在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)變形為所需的形狀。準(zhǔn)確地說(shuō)4D打印是一種能夠自動(dòng)變形的材料，直接將設(shè)計(jì)內(nèi)置到物料當(dāng)中，不需要連接任何復(fù)雜的機(jī)電設(shè)備，就能按照產(chǎn)品設(shè)計(jì)自動(dòng)折疊成相應(yīng)的形狀。4D打印最關(guān)鍵是記憶合金。4D打印由MIT與Stratasys教育研發(fā)部門(mén)合作研發(fā)的，是一種無(wú)需打印機(jī)器就能讓材料快速成型的革命性新技術(shù)。大小形狀可以隨時(shí)間變化。

原理

為了充分應(yīng)用這一新技術(shù)，Autodesk公司的研發(fā)團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步設(shè)計(jì)了新軟件Cyborg，可以用于自我組裝和可編程的模擬材料，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)化和材料的折疊。

傳統(tǒng)而言，造物過(guò)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。而通過(guò)硬件和軟件的緊密結(jié)合，4D打印顛覆了傳統(tǒng)的造物方式。

3D打印是預(yù)先建模再打印出成品，而4D打印的邏輯，是把產(chǎn)品設(shè)計(jì)通過(guò)打印機(jī)嵌入可以變形的智能材料中，在特定時(shí)間或激活條件下，無(wú)需人為干預(yù)，也不用通電，便可按照事先的設(shè)計(jì)進(jìn)行自我組裝。

評(píng)價(jià)

人們相信，4D打印不但能夠創(chuàng)造出有智慧、有適應(yīng)能力的新事物，還可以徹底改變傳統(tǒng)的工業(yè)打印甚至建筑行業(yè)，與此前的3D打印相比，它將具有更大的發(fā)展前景。4D打印更為智能，物料可自行“創(chuàng)造”，簡(jiǎn)化了打印過(guò)程，但對(duì)打印材料有了更高要求。

Skylar Tibbits認(rèn)為，4D打印讓快速建模有了根本性的轉(zhuǎn)變。與3D打印的預(yù)先建模、掃描，然后使用物料成形不同，4D打印直接將設(shè)計(jì)內(nèi)置到物料當(dāng)中，簡(jiǎn)化了從“設(shè)計(jì)理念”到“實(shí)物”的造物過(guò)程。讓物體如機(jī)器般“自動(dòng)”創(chuàng)造，不需要連接任何復(fù)雜的機(jī)電設(shè)備。

目前4D打印技術(shù)使用的材料只能感應(yīng)水的刺激.

技術(shù)影響

與之前3D打印概念相比，4D打印具備更大的發(fā)展前景；因此，2013年2月28日，法爾勝盤(pán)中快速拉升封漲停，博云新材、西部材料、圣萊杰、博威合金等午后跟風(fēng)漲停，而推動(dòng)這些個(gè)股漲停的最主要因素，就是突然熱炒的4D打印概念。

經(jīng)濟(jì)影響

分析師稱該類(lèi)個(gè)股多為游資爆炒，多家公司并未涉及4D打印3D打印技術(shù)尚不成熟，4D打印已風(fēng)靡股市。經(jīng)過(guò)數(shù)日游資爆炒，4D打印概念股表現(xiàn)依然亮眼。多只概念股昨日逆市上漲。概念股法爾勝連收三個(gè)漲停板，收?qǐng)?bào)5.15元，累計(jì)上漲33.42%，其工作人員表示公司與4D打印無(wú)關(guān)。分析人士認(rèn)為，市場(chǎng)近兩年都熱衷于概念炒作，投資者應(yīng)該把握好買(mǎi)賣(mài)時(shí)機(jī)。

　　所謂4D打印技術(shù)，是一種能夠自動(dòng)變形的材料，該技術(shù)在2月底于加利福尼亞舉行的TED大會(huì)上展出，顛覆了傳統(tǒng)的造物方式，并引爆了A股的4D打印行情。因?yàn)榍捌谑袌?chǎng)對(duì)3D打印概念的炒作，中航重機(jī)一度在半個(gè)月內(nèi)股價(jià)翻番，相關(guān)概念股均出現(xiàn)大漲，所以4D打印概念也令投資者熱情高漲。由于其關(guān)鍵技術(shù)在于記憶合金，和相關(guān)材料的上市公司因此受到游資的青睞。

　　但多家上市公司都表示自己并非“4D打印概念股”。圣萊達(dá)、博云新材和西部材料先后發(fā)布澄清公告，表示公司尚未開(kāi)展與4D打印技術(shù)相關(guān)的任何業(yè)務(wù)及研發(fā)工作，也未與任何企業(yè)或研究機(jī)構(gòu)就此事進(jìn)行過(guò)接觸。記者昨日以投資者身份就此電話咨詢了相關(guān)上市公司，法爾勝、新開(kāi)源、安泰科技均明確表示公司沒(méi)有接觸4D打印和生產(chǎn)相關(guān)材料，氯堿化工、有研硅股的電話則無(wú)人接聽(tīng)。

　　博威合金則表示公司生產(chǎn)的材料與4D打印相關(guān)。其證券事務(wù)部工作人員告訴記者，公司生產(chǎn)的合金材料是4D打印技術(shù)的相關(guān)材料，但公司未接觸過(guò)相關(guān)的企業(yè)或研究機(jī)構(gòu)。

　　盡管多家上市公司否認(rèn)涉“4D打印”，但該類(lèi)個(gè)股昨日表現(xiàn)依然亮眼。截至昨日收盤(pán)，法爾勝漲停，圣萊達(dá)漲3.67%，英力特漲2.92%。此前發(fā)布澄清公告的博云新材和西部材料的跌幅逾5%?？梢?jiàn)與之前爆炒的兩個(gè)交易日相比，概念股的漲幅已經(jīng)收窄，有些個(gè)股已經(jīng)開(kāi)始下跌。

　　數(shù)據(jù)顯示，華泰證券股份有限公司江陰福泰路證券營(yíng)業(yè)部昨日賣(mài)出法爾勝2035.39萬(wàn)元，近三個(gè)交易日共賣(mài)出2454.37萬(wàn)元；中信證券（浙江）有限責(zé)任公司嵊州時(shí)代商務(wù)廣場(chǎng)證券營(yíng)業(yè)部、光大證券股份有限公司余姚陽(yáng)明西路證券營(yíng)業(yè)部近三個(gè)交易日的賣(mài)出金額都在千萬(wàn)元以上。

技術(shù)應(yīng)用

美陸軍首席技術(shù)官格雷絲·博赫內(nèi)克指出，4D打印“延續(xù)了3D打印，并添加了變形維度”。其想法是，當(dāng)處于不同環(huán)境下，比如水中或者極端溫度下，3D打印出來(lái)的部件的性能可以隨之改變。博赫內(nèi)克表示，防彈衣未來(lái)可能會(huì)采用4D打印技術(shù)。陸軍在過(guò)去十年中一直在努力滿足防護(hù)服的雙重需求——既有保護(hù)作用，又足夠的輕盈，不會(huì)給士兵增加負(fù)擔(dān)或限制動(dòng)作。利用4D打印，科學(xué)家未來(lái)可能開(kāi)發(fā)出輕薄小巧的防彈衣，便于儲(chǔ)存和攜帶，但也可以伸展開(kāi)并提供全面的防護(hù)。

2017年4月27日，美國(guó)宇航局NASA最近開(kāi)發(fā)出了一種全新的4D打印技術(shù)，通過(guò)這種技術(shù)可以制造出一種“鏈甲”來(lái)保護(hù)飛船不受流星的沖擊。[1]

2017年6月6日，第四軍醫(yī)大學(xué)西京醫(yī)院通報(bào)，該院成功實(shí)施了世界首例計(jì)算機(jī)輔助4D打印生物可降解材料填充物乳房重建手術(shù)，為乳腺癌乳房切除患者帶來(lái)新的重建方式。[2]

優(yōu)勢(shì)

隨著3D打印從概念轉(zhuǎn)入生活化，4D打印的發(fā)展步伐也在日益加快，市場(chǎng)藍(lán)圖已經(jīng)徐徐打開(kāi)。那么，在科技迅速發(fā)展的當(dāng)下，4D打印作為傳統(tǒng)制造業(yè)的變革方向和新技術(shù)創(chuàng)業(yè)者的契機(jī)，又具有哪些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)呢？[3]

大幅降低制造成本

　　不論是現(xiàn)代制造技術(shù)，還是基于工業(yè)4.0、中國(guó)制造2025的新制造技術(shù)，對(duì)于生產(chǎn)復(fù)雜或者個(gè)性訂制產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，無(wú)論是制造還是組裝成本都是偏高的，甚至還會(huì)隨著部件的復(fù)雜程度同比例上漲。而在4D打印技術(shù)支持下的產(chǎn)品制造，部件與產(chǎn)品本身結(jié)構(gòu)的難易程度將變得不再重要，因?yàn)橥ㄟ^(guò)對(duì)整體產(chǎn)品不同部件進(jìn)行的一體化打印以及可變形自組裝將讓組裝成本化整為零，最大限度地降低產(chǎn)品的生產(chǎn)制造成本。

個(gè)性化訂制成本不變

　　在當(dāng)前的制造技術(shù)與環(huán)境下，小批量訂制的成本還是處于一個(gè)比較高的位置，更別說(shuō)私人訂制，其成本或許要以藝術(shù)品的角度來(lái)看待。隨著4D打印技術(shù)的介入，私人訂制的成本將與傳統(tǒng)的批量化制造畫(huà)等號(hào)，甚至更加低廉。因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)制造中被認(rèn)為是很復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、工藝，到了4D打印面前，都將變得簡(jiǎn)單化，尤其是成本不會(huì)受部件的復(fù)雜程度而波動(dòng)。

取代人工組裝成本

　　4D打印的產(chǎn)品部件將不再需要廠家或用戶自行組裝。廠商根據(jù)用戶的需要，將所制造的產(chǎn)品運(yùn)送到指定地點(diǎn)放置好后，用戶在需要的時(shí)候直接給予介質(zhì)觸發(fā)，打印物就會(huì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)組裝，這就取代了當(dāng)前依賴于人力進(jìn)行組裝搭建或拆解的方式，人力成本也將由此得到釋放。

零庫(kù)存的生產(chǎn)方式

　　對(duì)于生產(chǎn)制造企業(yè)來(lái)說(shuō)，所有的商品即是資產(chǎn)，同樣也是其資金成本的核心部分，一旦銷(xiāo)售周轉(zhuǎn)放緩將直接導(dǎo)致資金周轉(zhuǎn)率降低，進(jìn)而影響利潤(rùn)。通過(guò)4D打印進(jìn)行的生產(chǎn)制造將有效緩解這個(gè)問(wèn)題。廠家根據(jù)消費(fèi)者的想法隨時(shí)提供產(chǎn)品設(shè)計(jì)、打印制造的服務(wù)，做到“即買(mǎi)即造、即造即銷(xiāo)”，真正取代傳統(tǒng)的庫(kù)存銷(xiāo)售方式。

放大創(chuàng)意空間

　　對(duì)于很多設(shè)計(jì)師而言，最痛苦的就是創(chuàng)意很豐滿，現(xiàn)實(shí)制造卻很骨感。而4D打印技術(shù)可以毫不夸張地說(shuō)，但凡設(shè)計(jì)師能描繪出來(lái)的創(chuàng)意構(gòu)想，都能不折不扣地得到實(shí)現(xiàn)，真正做到讓創(chuàng)意設(shè)計(jì)的價(jià)值獲得充分實(shí)現(xiàn)。

降低制造專業(yè)性

　　當(dāng)前的制造不論是簡(jiǎn)單或復(fù)雜，都在一定程度上對(duì)生產(chǎn)工人提出了專業(yè)和熟練要求，尤其是一些專業(yè)性要求高的制造領(lǐng)域，其對(duì)于工人的專業(yè)技能和熟練程度都提出了較高的要求；而且技術(shù)的培養(yǎng)都需要經(jīng)過(guò)多年的訓(xùn)練和沉淀，中間還存在所培養(yǎng)技術(shù)人才流失的較大風(fēng)險(xiǎn)。4D打印技術(shù)的應(yīng)用，大大降低了對(duì)于復(fù)雜制造部件的專業(yè)技能要求，并且可以幫助我們承擔(dān)相當(dāng)部分的“高難度”工藝制作，從而有效降低制造的專業(yè)門(mén)檻和人才流失風(fēng)險(xiǎn)。

有效簡(jiǎn)化制造環(huán)節(jié)

　　大部分的產(chǎn)品通常都是由多個(gè)零部件組裝而成的，而不同零部件則需要不同的設(shè)備為其配套制造。所以對(duì)于廠家來(lái)說(shuō)，這不僅占據(jù)了較大的場(chǎng)地空間，投入成本也是水漲船高。4D打印技術(shù)則全然不同，它只需一臺(tái)打印機(jī)，根據(jù)不同的材料以及用戶所設(shè)定的不同部件形態(tài)直接打印不同的部件或整體產(chǎn)品。若是部件打印，則可以通過(guò)自我驅(qū)動(dòng)組裝。

不良率將成為過(guò)去式

　　傳統(tǒng)制造企業(yè)最常規(guī)的生產(chǎn)制造考核指標(biāo)就是對(duì)不良產(chǎn)品生產(chǎn)率的控制，這也是決定著企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵指標(biāo)。在4D打印時(shí)代，不良率這個(gè)名詞在生產(chǎn)制造過(guò)程中或?qū)⒆呦驓v史的終結(jié)，而決定著產(chǎn)品能否滿足用戶需求的關(guān)鍵將被轉(zhuǎn)移至設(shè)計(jì)端。也就是說(shuō)未來(lái)決定產(chǎn)品是否合格的關(guān)鍵要素不再是制造環(huán)節(jié)，而是設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，由設(shè)計(jì)師決定。

材料無(wú)限組合

　　對(duì)于當(dāng)今的制造技術(shù)來(lái)說(shuō)，將不同原材料結(jié)合成單一產(chǎn)品是件比較困難的事情，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的制造機(jī)器在切割或成型過(guò)程中不能輕易地將多種原材料融合在一起。盡管多種材料的混合注塑在一些領(lǐng)域已經(jīng)被應(yīng)用，但其成本與不良率都相對(duì)較高。4D打印技術(shù)的出現(xiàn)將讓這一現(xiàn)象得到改變，在4D打印過(guò)程中，我們可以將多種不同材料通過(guò)同一臺(tái)設(shè)備進(jìn)行混合打印，不論是塑料、金屬或是其他的合成材料，這也意味著在不久的將來(lái)一臺(tái)完整的可變形汽車(chē)將直接通過(guò)打印的方式生產(chǎn)制造出來(lái)。

批量一致性堪稱完美

　　盡管現(xiàn)代制造技術(shù)借助于模具在一定程度上保障了產(chǎn)品生產(chǎn)的一致性，但還是難以獲得一致精準(zhǔn)性的百分百保障。4D打印技術(shù)將讓產(chǎn)品“復(fù)制”獲得徹底解決。依托于4D打印技術(shù)，批量生產(chǎn)就如同復(fù)制數(shù)字文件般簡(jiǎn)單，而其一致性也將如同數(shù)字化復(fù)制般一致。不論是大批量或是小批量，4D打印技術(shù)都能有效保障其一致性。

技術(shù)案例

     2016年8月,某患乳腺癌的患者在西京醫(yī)院接受治療。當(dāng)時(shí)腫瘤的大小超過(guò)了6cm,盡管實(shí)施了新輔助化療,但仍只能實(shí)施乳房全切。專家決定為其實(shí)施計(jì)算機(jī)輔助4D打印生物可降解材料填充物乳房重建手術(shù)。

2016年3月，曲江婦產(chǎn)醫(yī)院聯(lián)合空軍軍醫(yī)大學(xué)3D打印研究中心（原第四軍醫(yī)大學(xué)3D打印研究中心）與西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室利用世界最先進(jìn)的4D打印技術(shù)，成功為一名先天性陰道閉鎖的患者實(shí)施陰道成形手術(shù)，患者術(shù)后恢復(fù)良好。據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)證實(shí)，該手術(shù)在國(guó)際尚屬首例。這一世界前沿技術(shù)的成功應(yīng)用，填補(bǔ)了4D打印技術(shù)在婦產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用的空白，“唐都智造”邁入了4D時(shí)代。

來(lái)源：3d科技

編輯：董強(qiáng)