3D打印方興未艾 4D打印向您走來

劉國信

3D打印發(fā)力多個領(lǐng)域

最近，3D打印領(lǐng)域的知名專家史蒂夫·海勒（Steve Heller）對全球3D打印的熱點領(lǐng)域進行了分析，他認為今后一段時間，3D打印將在原型、醫(yī)療保健、航空航天、直接制造業(yè)以及藝術(shù)創(chuàng)作等領(lǐng)域繼續(xù)發(fā)力。

3D打印的原型應用一直在歐洲模具展上有龐大的展覽陣容?；旧?，當企業(yè)把3D打印技術(shù)作為一種快速成型應用運用在原型開發(fā)上，會使產(chǎn)品推向市場的速度更快。這一趨勢肯定會繼續(xù)下去，同時將會有新的3D打印材料的應用，從而擴大3D打印的應用領(lǐng)域。

如在醫(yī)療保健相關(guān)領(lǐng)域，僅齒科方面使用德國EOS公司的3D打印設備已經(jīng)打印了上千萬的牙冠和牙橋。也就是說，如今世界上至少有1000萬人嘴巴里的牙冠和牙橋是3D打印的。在歐洲模具展上，還看到了3D打印髖關(guān)節(jié)植入物，你可以根據(jù)患者的實際情況直接打印出最終的植入物，不需要模具以及其他工具，就可以為患者提供個性化的一次性治療解決方案。隨著3D打印應用的普及以及越來越多的藝術(shù)設計人員投入其中，3D打印在人像玩偶方面的應用也越來越成熟，打印出來的人像也開始從形似邁向神似，越來越生動傳神。航空航天與醫(yī)療保健是3D打印領(lǐng)域的兩大增長動力。目前航空航天領(lǐng)域主要使用的是金屬3D打印技術(shù)，尤其是直接金屬激光打印應用。隨著航空航天領(lǐng)域需求的不斷增加，必將會持續(xù)推進金屬3D打印技術(shù)水平的進一步提升。

顏色也會是3D打印的一大焦點。最近3DSystems、Stratasys均有功能強大的彩色3D打印技術(shù)問世，此外還有McorTechnologies公司提供的彩色3D紙打印技術(shù)?？梢灶A見，未來的企業(yè)將會更多地需要全彩色的產(chǎn)品原型，而不是單調(diào)的灰度原型。如果技術(shù)成本能夠進一步降低，這也是一個發(fā)展趨勢。

另外，在直接制造業(yè)方面，更有前途遠大的發(fā)展前景。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，未來會越來越多地出現(xiàn)直接打印最終產(chǎn)品的3D打印機，這是該行業(yè)成熟的標志之一，很多企業(yè)正在向這個方向努力。

4D打印漸行漸近

繼承3D打印而來的4D打印，雖然剛剛起步，但或許用不了多久，利用4D打印技術(shù)，科幻電影中的場景就會逼真地發(fā)生在我們身邊：一根拐杖在下雨的時候就變成了雨傘；房屋建筑可以自動“長”出屋頂、承重墻……能夠讓打印物“活”過來的4D打印技術(shù)，有望在不久的將來改變我們的生活。

最近，由美國“神經(jīng)系統(tǒng)”設計工作室打造的全球首件4D打印連衣裙問世。這件衣服最大的特點在于可以自動適應環(huán)境，即便在運動中也會時刻貼合穿戴者的身體。這便是4D打印的神奇所在。關(guān)于4D打印我們需要一些基本的了解，人們最為熟知的是2D打印，在平面上打印個文件、圖紙、照片之類，是X、Y構(gòu)成的維度。而到了3D打印，通俗的理解就是在X、Y維度的基礎(chǔ)上增加一個Z的維度，構(gòu)成了三維立體。但到了4D打印，所增加的維度不僅是X、Y、Z所構(gòu)成的立體維度，而是在這些維度之外再增加時間維度。簡單理解，所謂4D打印就是在一個立體維度的基礎(chǔ)上，再增加一個維度，那就是時間。2D、3D、4D，看起來像一個等差數(shù)列，實際上就是每一級增加了一個D，即打印出來的物體增加了一個維度。如果說2D是X、Y，3D是X、Y、Z，那么4D就是在X、Y、Z基礎(chǔ)上增加了T。這就意味著4D打印融入了時間，可以打印出隨時間變化而改變的物體，這種改變我們可以理解為自我組裝。

在兩年前的美國TED大會上，計算機科學家斯凱拉·迪比茨首次通過視頻向外界展示了魔術(shù)般的4D打印技術(shù)——一根奇特材質(zhì)的小棍扔到水里后，慢慢扭曲變形成麻省理工學院的縮寫字母“MIT”。斯凱拉·迪比茨稱，這一新技術(shù)的靈感來自于生物的自我復制?？此坪苄畹?D打印技術(shù)其實并不神秘，按照專家的解釋，4D打印就是3D打印技術(shù)與智能材料性能的結(jié)合，即智能材料結(jié)構(gòu)在3D打印的基礎(chǔ)上，通過外界環(huán)境刺激，隨著時間實現(xiàn)自身結(jié)構(gòu)變化。

有專家表示，4D打印領(lǐng)域的進步將更多地依賴材料本身，而非打印技術(shù)。另外，并不是說任意材料都可以被“激活”，而是需要具有模仿生物體的自增值性、自修復性、自診斷性和環(huán)境適應性等的智能材料才行。據(jù)專家介紹，4D打印所需要的智能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。4D打印除了對打印材料要求較高外，還需要具備另一項非常關(guān)鍵的因素，即要有觸發(fā)自我組裝的“催化劑”。這一“催化劑”不一定是水，根據(jù)不同的打印材料，也有可能是光、熱、聲音、震動、氣體，甚至是電子。也就是說，通過軟件設定好模型和時間后，在特定環(huán)境下，無須人為干預，無須通電，4D打印物便可按照事先的設計，在規(guī)定的時間內(nèi)進行自我組裝。

借助4D打印技術(shù)制造出的智能結(jié)構(gòu)，可以發(fā)生由一維或二維結(jié)構(gòu)向三維結(jié)構(gòu)的變化，或者由一種三維結(jié)構(gòu)變形成另一種三維結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的隨意變化也給4D打印技術(shù)的應用帶來無窮的暢想，而生物醫(yī)療領(lǐng)域最有可能成為該炫技的主秀場。麻省理工學院數(shù)學家丹雷維夫曾表示，4D打印有利于新型醫(yī)療植入物的發(fā)明。比如心臟支架，如果采用4D打印技術(shù)制造，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)注入攜帶設計方案的智能材料，到達心臟指定部位后自我組裝成支架。如今，深圳光華偉業(yè)實業(yè)有限公司就正在與合作伙伴共同開發(fā)帶有記憶功能的生物心臟支架。該公司董事長楊義滸表示，他們將對帶有記憶功能的材料進行精確控制，使之在一定的外部條件（比如溫度、壓力）下，恢復預設的形態(tài)。

此外，多自由度操作臂也是微創(chuàng)技術(shù)未來發(fā)展的研究難點。有關(guān)專家表示，他們正在自主研發(fā)智能材料，并通過4D打印技術(shù)應用于多自由度操作臂的制造研究中。未來，手術(shù)操作臂可以像蛇一樣，通過食道、肛門等人的自然腔道進入人體，并在體內(nèi)任意更改方向。另外，牛津大學圣安東尼學院榮譽學者納伊夫·魯贊曾在美國《外交》雙月刊網(wǎng)站發(fā)文稱，借助4D打印的原理，研究人員還能夠利用DNA鏈制造出對抗癌癥的納米機器人。

4D打印從概念到現(xiàn)實尚有諸多瓶頸

專家認為，目前4D打印技術(shù)還處于概念階段，并且在未來較長的一段時間內(nèi)也主要停留在試驗研究階段。在實現(xiàn)種種暢想之前，仍有許多瓶頸需要突破。

業(yè)內(nèi)人士表示，目前4D打印技術(shù)主要有3個短板：一是打印機的規(guī)模太小，且缺少高精度、可靠性較高的打印機；二是所需特殊智能材料的貧乏；三是人才儲備短缺。與此同時，加工工藝、材料設計、裝備制造等技術(shù)水平也都是制約4D打印技術(shù)發(fā)展的主要障礙。

在3D打印的世界里，當我們需要打印大型工程項目時，必須使用大型機器才能制造出所需的大型材料。比如建筑、管道等物品的打印，都對打印機提出了較高的要求，這也讓3D打印技術(shù)的推廣與普及遇到了現(xiàn)實的屏障。面對3D打印的前車之鑒，4D打印走出了另外一條道路，那就是依賴“智慧”材料讓打印物在打印完成之后具有自變形的能力，這在很大程度上緩解了打印機對技術(shù)發(fā)展的掣肘情況。但是，“智慧”打印也就意味著對打印設備提出了更高的技術(shù)要求，而由此導致設備價格昂貴的問題將在所難免。

專家指出，除了設備本身的制約之外，4D打印所面臨的比3D打印更為嚴峻的問題，便是對特殊性打印材料的需求，因為相比3D打印而言，4D打印對所需材料的要求更高。第一，4D打印所需要的并非一般的普通材料，而是能感知外部刺激、帶有記憶功能的智能材料；第二，該材料不僅具備3D打印材料的那種可打印性，還要具有傳感功能、反饋功能、信息識別與積累功能、響應功能、自我變形能力、自我組裝能力、自我診斷能力、自我修復能力和超強適應能力。由于智能材料制造工藝復雜，傳統(tǒng)制造方法只能制造簡單形狀的智能材料，難以制造復雜形狀的材料結(jié)構(gòu)，因而嚴重限制了智能材料結(jié)構(gòu)的發(fā)展與應用。而4D打印主要取決于智能材料的發(fā)展，未來應研究發(fā)展多種適用于4D打印技術(shù)的智能材料。

4D打印之所以能夠通過介質(zhì)觸發(fā)，從而在特定的時間下進行自我變形、自我組裝，除了材料本身與打印技術(shù)之外，另外一個關(guān)鍵就是軟件的設計，也就是通過程序軟件，將變形要素直接設計在打印材料中。簡單卻并不十分精確地理解，那就是3D是設計產(chǎn)品，4D是將打印機設計在模型中。所以，設計軟件對于4D打印至關(guān)重要，這也是目前需要重點突破的一個環(huán)節(jié)。而如何實現(xiàn)專業(yè)化，讓用戶能進行“傻瓜”式的操作應用，則是4D打印技術(shù)的應用與普及，所要解決的一個重要問題。

業(yè)內(nèi)專家表示，盡管目前4D打印還只是處于概念階段，并且能夠支撐或者說具備時間認知能力的材料還很少，但科技的發(fā)展在出現(xiàn)苗頭后總會以驚人的速度裂變。如果說3D打印改變的是制造業(yè)生態(tài)，那么4D打印改變的將是整個商業(yè)生態(tài)?？梢钥隙ǖ氖牵S著4D打印智能材料的多樣化，4D打印技術(shù)的應用將更加廣泛，其未來發(fā)展前景將更加廣闊。