4D 打印技術(shù)在皮革制品設(shè)計(jì)上的運(yùn)用研究

王海濤，謝輝

（1.深圳技術(shù)大學(xué)，廣東 深圳 518118；2.廣州城市理工學(xué)院，廣東 廣州 510800）

引言

進(jìn)入21 世紀(jì)以來，消費(fèi)者對產(chǎn)品需求的轉(zhuǎn)變和日益激烈的市場競爭不斷推動(dòng)皮革產(chǎn)業(yè)發(fā)展，皮革產(chǎn)品的藝術(shù)性內(nèi)涵和個(gè)性化表達(dá)顯得越來越重要，科技賦能成為提高皮革產(chǎn)品市場競爭力的有力推手。及時(shí)運(yùn)用科學(xué)、創(chuàng)新的設(shè)計(jì)方法是保證快速開發(fā)皮革產(chǎn)品適應(yīng)市場多變需求的重要舉措[1]。4D 打印技術(shù)概念的出現(xiàn)明確了皮革產(chǎn)品設(shè)計(jì)創(chuàng)新方向，通過4D 打印技術(shù)可以構(gòu)建更加新穎和復(fù)雜的產(chǎn)品形態(tài)結(jié)構(gòu)，大大拓展了設(shè)計(jì)師的創(chuàng)作自由度[2-3]。4D 打印為實(shí)現(xiàn)皮革制品更為豐富和復(fù)雜的設(shè)計(jì)創(chuàng)想提供技術(shù)支持，賦予皮革產(chǎn)品科技與藝術(shù)交叉融合的創(chuàng)新魅力。

1 4D 打印技術(shù)概述

1.1 4D 打印技術(shù)的定義

4D 打印技術(shù)（4D Printing）的概念，最早由麻省理工學(xué)院斯凱拉·蒂比茨（Skylar Tibbits）教授及其團(tuán)隊(duì)在2013 年4 月洛杉磯舉行的Technology Entertainment Design（TED）大會(huì)上正式提出。他們展示了3D 打印的復(fù)合材料浸入水中發(fā)生自動(dòng)變形的過程，斯凱拉·蒂比茨教授強(qiáng)調(diào)：“打印過程并不新，關(guān)鍵是打印出來后發(fā)生的變化”，這就是4D 打印最初的定義，即“3D+時(shí)間”，比3D 打印多了一個(gè)發(fā)生變化的時(shí)間維度。該概念一經(jīng)提出，瞬間引起了眾多研究者的廣泛關(guān)注。后來隨著科學(xué)研究的不斷深入，在智能材料的加持下4D 打印實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品功能打印，打印的產(chǎn)品可在不同激勵(lì)條件下實(shí)現(xiàn)目標(biāo)形態(tài)的演變，逐漸形成了如今較為成熟的“智能材料”+“智能結(jié)構(gòu)”+“3D 打印”理論體系[4-5]。

1.2 4D 打印與3D 打印技術(shù)特征

3D 打印是以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，利用可黏合材料逐層打印的方式來構(gòu)造產(chǎn)品的技術(shù)[6]。3D 打印的快速發(fā)展催生了4D 打印概念，與3D 打印相同，4D 打印是一種集材料科學(xué)、機(jī)械科學(xué)以及計(jì)算機(jī)科學(xué)等諸多學(xué)科高度交叉融合的先進(jìn)制造技術(shù)。與3D 打印不同，4D 打印是一種具備動(dòng)態(tài)演變能力的智能制造技術(shù)，是在3D 打印基礎(chǔ)上結(jié)合智能材料與智能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，針對制造產(chǎn)品的形態(tài)、性能和功能方面的進(jìn)一步發(fā)展。從技術(shù)路線與成型工藝角度來看，3D 打印與4D 打印的區(qū)別在于，4D 打印的模型能夠在不同激勵(lì)因素（如水、光、熱、磁場等）的刺激下，隨著時(shí)間實(shí)現(xiàn)三維物體形狀、性質(zhì)和功能的變化（如圖1 所示）。4D 打印的先進(jìn)性在于可以快速成型制造出具有環(huán)境自適應(yīng)性動(dòng)態(tài)演變的智能產(chǎn)品，從而區(qū)別于傳統(tǒng)3D 打印產(chǎn)品的功能單一、無變化的穩(wěn)態(tài)特性[7-8]。4D 打印產(chǎn)品所具有的應(yīng)激自響應(yīng)特性極具發(fā)展?jié)摿?，在未來智能裝備制造、產(chǎn)品設(shè)計(jì)等諸多領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景。

圖1 4D 打印與3D 打印的區(qū)別[4]Fig.1 Difference between 4D printing and 3D printing[4]

1.3 4D 打印的智能材料

4D 打印的成型設(shè)備和制造工藝與3D 打印基本相同。4D 打印是以傳統(tǒng)增材制造技術(shù)為基礎(chǔ)，依據(jù)智能材料的環(huán)境應(yīng)激特性設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)“動(dòng)態(tài)”產(chǎn)品的制造?？梢哉f，智能材料的研發(fā)促進(jìn)了4D 打印的發(fā)展。近年來相關(guān)專家學(xué)者針對不同智能材料和激勵(lì)條件下的4D 打印技術(shù)進(jìn)行了研究。從材料的響應(yīng)激勵(lì)條件可分為水響應(yīng)、光響應(yīng)、磁響應(yīng)以及熱響應(yīng)等。

（1）水響應(yīng)材料

在4D 打印材料中具有形狀記憶特性的凝膠被稱為形狀記憶水凝膠（SMH）。水凝膠是一種親水性材料，與水分充分響應(yīng)后可膨脹至原體積的數(shù)倍,是當(dāng)今4D 打印中智能材料研究的熱點(diǎn)之一。Shiblee等[9]利用4D 打印技術(shù)與形狀記憶凝膠（SMG）的智能效應(yīng)，設(shè)計(jì)出了動(dòng)作靈活驅(qū)動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)了仿生驅(qū)動(dòng)。Joyce 等[10]采用水凝膠制備了一種可在不同水介質(zhì)溫度下實(shí)現(xiàn)自我折疊的關(guān)節(jié)微夾持器。Wang等[11]選擇對濕度十分敏感的微生物為材料，通過4D打印制作了一款運(yùn)動(dòng)透氣速干衣，如圖2 所示，該速干衣在人體在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生汗液時(shí)，可實(shí)現(xiàn)透氣孔自動(dòng)張開，便于透氣散熱；當(dāng)運(yùn)動(dòng)后恢復(fù)平靜時(shí)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)閉合。此類親水性材料應(yīng)用在產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)⒇S富產(chǎn)品的款式造型，變化出多種造型，在生活中有著廣闊的發(fā)展空間和無盡的創(chuàng)意。

圖2 水響應(yīng)材料速干衣[11]Fig.2 Quick -drying clothes prepared by water -responsive material[11]

（2）光響應(yīng)材料

光響應(yīng)材料含有吸收光能的分子或官能團(tuán)，在吸收一定量的光能后，其分子會(huì)產(chǎn)生特定的物理或化學(xué)變化[12-13]，如發(fā)生顏色、形狀、折射率改變等。相關(guān)學(xué)者從4D 打印角度對光響應(yīng)材料進(jìn)行了深入的研究。章知博等[14]合成了一種具有典型的聚集誘導(dǎo)發(fā)光性質(zhì)的新型光響應(yīng)熒光分子材料，并通過試驗(yàn)證明了該材料具有典型的光物理性能。Yang 等[15]結(jié)合形狀記憶聚合物與光響應(yīng)復(fù)合材料，通過4D 打印技術(shù)制造了一種在光照射下可從臨時(shí)形狀恢復(fù)到原始形狀的光響應(yīng)形狀記憶裝置。近年來，光響應(yīng)材料因其在特定的光照下會(huì)發(fā)生顏色的變化，在服飾面料、工業(yè)材料等生活領(lǐng)域的應(yīng)用不斷增多，極大地滿足了人們追求個(gè)性化、時(shí)尚和樂趣的心理需求。

（3）磁響應(yīng)材料

磁響應(yīng)材料可在外界磁場的刺激下做出響應(yīng)，是一種由納米顆?；虼判粤Ｗ咏M成的智能高分子材料[16]。因其具有響應(yīng)速率快和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)受到了研究者的廣泛關(guān)注。Kokkinis 等[17]采用氧化鐵顆粒和水凝膠材料結(jié)合打印了微夾持器，實(shí)現(xiàn)了該夾持器活動(dòng)在磁場環(huán)境中的遠(yuǎn)程控制。Larissa 等[21]利用磁響應(yīng)材料制備得到多功能驅(qū)動(dòng)器，能實(shí)現(xiàn)單一磁場控制多個(gè)單元結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了系統(tǒng)的復(fù)雜性?？深A(yù)見，未來磁響應(yīng)材料在4D 打印智能設(shè)備等領(lǐng)域有良好應(yīng)用前景。

（4）熱響應(yīng)材料

熱響應(yīng)材料是指隨外部環(huán)境溫度變化，具有改變自身物理特性的材料，是當(dāng)今研究較為廣泛的材料之一。Ying 等[18]采用4D 打印技術(shù)制備得到幾何球體, 在溫度的刺激下該幾何體的復(fù)雜結(jié)構(gòu)能在平面與立體之間自由轉(zhuǎn)換。Bakarich 等[19]將基于SMP材料4D 打印制作的自動(dòng)溫控開關(guān)運(yùn)用在水族箱上，實(shí)現(xiàn)了閘門可依據(jù)水溫自動(dòng)打開和閉合，滿足了水族箱的恒溫需求。Zarek 等[20]采用聚己酸內(nèi)酯材料4D 打印成型的工藝品可以分別在溫度、光照和磁場條件的激勵(lì)下改變形狀。清華大學(xué)跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)通過整合材料和制造技術(shù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)了“熱響應(yīng)服裝設(shè)計(jì)”作品（見圖3），該服裝可根據(jù)環(huán)境溫度的變化自主控溫，并榮獲了2022 紅點(diǎn)設(shè)計(jì)概念獎(jiǎng)。熱響應(yīng)材料將為服裝等產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域添注新的活力。

圖3 熱響應(yīng)材料服裝Fig.3 Clothing prepared by thermal-responsive material

2 4D 打印技術(shù)在皮革制品設(shè)計(jì)上的應(yīng)用優(yōu)勢分析

2.1 豐富設(shè)計(jì)思維

傳統(tǒng)的皮革制品從最開始的設(shè)計(jì)到最終的成品制作完成，要經(jīng)歷一個(gè)工序繁多、耗時(shí)耗力的生產(chǎn)制作流程。4D 打印技術(shù)直接將材料與結(jié)構(gòu)的變形設(shè)計(jì)內(nèi)置到物料當(dāng)中，簡化了從設(shè)計(jì)概念到產(chǎn)品的中間過程。從理論上看，4D 打印技術(shù)具有構(gòu)建復(fù)雜三維物體的能力，只要產(chǎn)品能通過軟件將數(shù)字模型設(shè)計(jì)出來，就能制造出來。這種從設(shè)計(jì)到產(chǎn)品的過程可以讓設(shè)計(jì)師更少地受到工藝、縫制等生產(chǎn)制造因素的限制，拓寬了設(shè)計(jì)的視野。這無疑會(huì)使整個(gè)設(shè)計(jì)過程更快捷、高效，讓設(shè)計(jì)師更加自由，更容易實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)思維的創(chuàng)新。

2.2 滿足消費(fèi)者個(gè)性化、智能化需求

皮革制品作為人們生活中不可或缺的商品，除了滿足功能性的需求外，還代表了消費(fèi)者個(gè)人品位與審美[1]。4D 打印技術(shù)具有單件產(chǎn)品單獨(dú)打印能力，可以按照不同消費(fèi)者需求設(shè)計(jì)匹配產(chǎn)品，使得產(chǎn)品個(gè)性化定制成為可能。另外4D 打印的產(chǎn)品具備應(yīng)激自動(dòng)響應(yīng)特性，可在不同激勵(lì)條件下實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的形態(tài)演變，可以實(shí)現(xiàn)皮革制品向多樣化、個(gè)性化、智能化發(fā)展，從而推動(dòng)皮革制品設(shè)計(jì)服務(wù)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的升級。

2.3 提升產(chǎn)品的附加值

在競爭日益激烈的市場環(huán)境下，越來越多的商家注重的不僅僅是產(chǎn)品本身，而是更多地從消費(fèi)者需求出發(fā)提升產(chǎn)品附加值。如通過新穎包裝、限定款標(biāo)簽等傳統(tǒng)營銷方式來吸引人們眼球從而刺激消費(fèi)[23]。將先進(jìn)的4D 打印技術(shù)注入到皮革制品設(shè)計(jì)中，使人們在消費(fèi)過程中不僅能獲得物質(zhì)的實(shí)用滿足，還能夠得到先進(jìn)技術(shù)帶來的精神享受。4D 打印科技含量及價(jià)值增值在一定程度上能夠提升皮革制品的內(nèi)涵和設(shè)計(jì)價(jià)值。另外，4D 打印的智能材料（如絲膠蛋白水凝膠SMH、橡膠彈性體PLA、熱塑性彈性體TPE 等）制造的產(chǎn)品在生命周期結(jié)束后，還能夠?qū)崿F(xiàn)回收再利用，從生態(tài)環(huán)境保護(hù)層面[22]提升了皮革制品的附加值。

3 4D 打印技術(shù)在皮革制品設(shè)計(jì)上的應(yīng)用設(shè)想

皮革制品設(shè)計(jì)是以“形”和“結(jié)構(gòu)”設(shè)計(jì)藝術(shù)為核心的立體設(shè)計(jì)，融合了科技、材料、文化、藝術(shù)與經(jīng)濟(jì)等多門類學(xué)科知識(shí)，是一項(xiàng)集成性、創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)活動(dòng)[24]。3D 打印技術(shù)以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，通過快速成型的方式，推動(dòng)了皮革制品產(chǎn)業(yè)從傳統(tǒng)設(shè)計(jì)向定制化設(shè)計(jì)模式的轉(zhuǎn)變。在智能材料的加持下，4D 打印構(gòu)建的形態(tài)更新穎、更復(fù)雜，而且打印的結(jié)構(gòu)能夠發(fā)生形狀或功能的改變，能夠拓展皮革制品造型設(shè)計(jì)的自由度，適合應(yīng)用于從簡單到復(fù)雜變化的各類造型打印。4D 打印可以輕松地成為皮革制品設(shè)計(jì)領(lǐng)域的理想工具，讓設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)上有更大更自由的發(fā)揮空間。

3.1 在皮鞋上的應(yīng)用

當(dāng)今，皮鞋已成為人們喜愛的一種鞋類，是美化人民生活的大宗商品之一，在服飾類產(chǎn)品中有著“舉足輕重”的地位。傳統(tǒng)方法開發(fā)一款與設(shè)計(jì)構(gòu)思完全相符的鞋子，在試制中可能要面臨眾多的繁瑣流程，而4D 打印技術(shù)可制作出成型難度大、造型“動(dòng)態(tài)”的產(chǎn)品，給鞋類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開辟了廣闊空間與視角。為迎合時(shí)代發(fā)展，制鞋企業(yè)可以以4D 打印新型智能材料為載體，并將其運(yùn)用在鞋底、鞋面上創(chuàng)新產(chǎn)品，滿足消費(fèi)者的多元化需求。

3.1.1 鞋底設(shè)計(jì)

跟、底是鞋的重要組成部分，鞋底的輕量化和防滑性的好壞直接影響鞋穿用時(shí)的舒適性和安全性。影響鞋底防滑性能的因素很多，包括是否使用了好的防滑材質(zhì)、進(jìn)行合理的防滑設(shè)計(jì)等[25]。4D 打印技術(shù)將產(chǎn)品的“功能性”與產(chǎn)品的制造工藝相結(jié)合，在保留材料特殊性質(zhì)的基礎(chǔ)上快速成型制造，為鞋底的輕量化和防滑性設(shè)計(jì)提供了一個(gè)新的發(fā)展方向。

筆者將4D 打印的水響應(yīng)材料應(yīng)用在皮鞋鞋底花紋設(shè)計(jì)上。試圖通過4D 打印技術(shù)減輕鞋底重量、增加鞋底的舒適性和防滑性。如圖4 所示，整個(gè)皮鞋鞋底采用4D 打印一體成型制造，使鞋底更加輕盈。水響應(yīng)材料運(yùn)用在鞋底花紋設(shè)計(jì)上，當(dāng)下雨天或在濕潤地面穿著時(shí)，隨著鞋底濕度增加鞋底水響應(yīng)材料花紋會(huì)變深，更利于抓地防滑；當(dāng)在干燥地面穿著時(shí)，鞋底花紋可自動(dòng)恢復(fù)原狀，從而滿足人們穿同一雙鞋在不同場景下的使用需求（見圖4）。

圖4 4D 打印鞋底概念設(shè)計(jì)Fig.4 Concept design of 4D printing sole

3.1.2 鞋面設(shè)計(jì)

皮鞋與人們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)，是人們最喜歡穿用的一種鞋類產(chǎn)品。然而，由于皮鞋的透氣性較差，夏季穿皮鞋容易出現(xiàn)出汗、悶?zāi)_、臭腳等一系列問題，導(dǎo)致夏季很多人都想和皮鞋“絕緣”。為了解決這些問題，有廠家設(shè)計(jì)出了全方位鏤空的皮鞋鞋面，但卻忽略了鞋面的美觀性。

將4D 打印技術(shù)運(yùn)用在鞋面設(shè)計(jì)上，可以在兼顧美觀性的同時(shí)完美解決皮鞋透氣性問題。筆者將4D 打印的熱響應(yīng)材料應(yīng)用在皮鞋鞋面設(shè)計(jì)上，嘗試將熱響應(yīng)材料與傳統(tǒng)皮革材料結(jié)合增加皮鞋的“智能化”，以滿足消費(fèi)者不同季節(jié)穿著皮鞋的需求。如圖5 所示，皮鞋鞋面選用4D 打印熱響應(yīng)材料與傳統(tǒng)皮革材料搭配設(shè)計(jì)，當(dāng)人們行走在較高溫度的環(huán)境中時(shí)，鞋面熱響應(yīng)材料結(jié)構(gòu)自然打開，不僅能透氣散熱達(dá)到預(yù)防汗腳、臭腳的目的，還能增添鞋面的層次感，充分體現(xiàn)出產(chǎn)品設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性；當(dāng)溫度下降時(shí)，熱響應(yīng)結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)閉合，便于保溫保暖。

圖5 4D 打印鞋面概念設(shè)計(jì)Fig.5 Concept design of 4D printing upper

3.2 在皮革服裝上的應(yīng)用

不只是鞋類，4D 打印技術(shù)同樣可以用在皮革服裝產(chǎn)品設(shè)計(jì)上。PU 泳裝因其柔軟、拉伸性強(qiáng)、透氣性好而受到大家的喜歡。筆者以4D 打印水響應(yīng)材料為例，試圖結(jié)合水響應(yīng)材料的應(yīng)激特性在PU 泳裝裝飾上進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)踐，以實(shí)現(xiàn)PU 泳裝的“動(dòng)態(tài)”裝飾來滿足人們的個(gè)性化需求。如圖6 所示，使用水響應(yīng)材料4D 打印制成的花朵裝飾在PU 泳裝上，當(dāng)穿著泳裝進(jìn)入水中時(shí)，水響應(yīng)材料花朵與水充分接觸后，平面的花朵“自然地盛開”成立體造型，盡顯女性嫵媚風(fēng)姿，立刻讓穿著者成為人群中的焦點(diǎn)；當(dāng)游泳結(jié)束離開水面，隨著濕度的減少，裝飾花朵逐漸恢復(fù)到原始的平面狀態(tài)，方便后期的收納。

圖6 4D 打印泳裝花朵裝飾概念設(shè)計(jì)Fig.6 Concept design of swimwear floral decoration by 4D printing

此外，4D 打印的熱響應(yīng)材料還可應(yīng)用在皮革大衣上，如在大衣的腋下、背部等位置結(jié)合熱響應(yīng)材料設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)自主散熱、控溫智能化等。

3.3 在皮革箱包上的應(yīng)用展望

箱包類產(chǎn)品亦是如此，將4D 打印智能材料的演變特性應(yīng)用于箱包產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與開發(fā)，通過數(shù)字模型設(shè)計(jì)和快速打印自動(dòng)組裝成型，可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、制造和裝配一體化。我們可以試想一下，設(shè)計(jì)師只需要在軟件上建立模型設(shè)置好參數(shù)，打印機(jī)輸出的零部件會(huì)自動(dòng)組裝成箱包成品，這將會(huì)是何等的神奇？Ge 等[26]在2015 年基于形狀記憶聚合物纖維結(jié)合彈性基體的復(fù)合材料，成功4D 打印出在溫度激勵(lì)條件下實(shí)現(xiàn)自我折疊成型的盒子（見圖7），其創(chuàng)新的研究成果在技術(shù)理念上為4D 打印自動(dòng)成型的箱包產(chǎn)品提供了可能性。盡管目前4D 打印技術(shù)的研究尚處在起步階段，應(yīng)用在大規(guī)模的生產(chǎn)中還有很長的路要走，但隨著研究的逐步深入, 我們有理由相信，不久的將來4D 打印技術(shù)一定會(huì)促進(jìn)箱包產(chǎn)品設(shè)計(jì)的繁榮發(fā)展。

圖7 4D 打印自我折疊盒[24]Fig.7 Self-folding box by 4D printing[26]

結(jié)語

4D 打印是在3D 打印的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項(xiàng)新興技術(shù)。將4D 打印技術(shù)融入皮革制品設(shè)計(jì)中，在智能材料的加持下，4D 打印技術(shù)構(gòu)建的產(chǎn)品形態(tài)更新穎、更復(fù)雜，能夠拓展皮革制品的“功能性”，在皮革制品設(shè)計(jì)領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。以4D 打印技術(shù)水響應(yīng)材料和熱響應(yīng)材料為例，分別在皮鞋鞋底花紋、鞋面和PU 泳裝裝飾上進(jìn)行了設(shè)計(jì)案例探索，希望能為4D 打印技術(shù)在設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的應(yīng)用提供一些參考借鑒。