[科普中国]-全球首个陶瓷4D打印系统出炉！它比3D打印到底强在哪？

2018年8月，据物理学组织网报道，香港城市大学的研究团队成功开发出全球首款陶瓷4D打印系统，打印出的陶瓷坚固且拥有复杂的形状，有望在电子和航空航天领域大展拳脚。凭借“陶瓷墨水”的变形能力和优异的电磁信号传输能力，其在电子产品制造方面的应用可能性非常大。同时，由于陶瓷是一种能承受高温的机械强度高的材料，4D打印陶瓷有很大潜力用作航空航天的推进部件。作为一种有可能用于航空航天、电子产品、消费者产品等领域开发新产品的技术，4D打印到底是一种什么样的技术？它和耳熟能详的3D打印相比，多出的一个“D”到底是什么？它对于未来人类生活和工业发展到底有怎么样的影响？ “青出于蓝而胜于蓝”：4D打印源于3D打印的具有“智慧”的可编程物体4D打印概念成型于2013年前后，由美国麻省理工学院 (Massachusetts Institute of Technology) 的自组装实验室 (Self-Assembly Laboratory) 主任Skylar Tibbits在TED talk时向公众提出：宛如没有电线和马达的机器人进行移动一般，4D打印大多数情况下是基于多材料3D打印制造出来的部件，能够具备静态3D打印部件不具备的一个功能——自主变形。归根究底，4D打印是基于3D打印的创新，即当3D打印中使用的材料具有记忆性和可编程性时，这种3D打印物品和技术就可被称为4D打印。3D打印学名为增材制造，旧称快速成型。在2009年，根据ASTM国际标准，增材制造被定义为 “一个与减材制造相反，利用3D模型数据，通常已逐层堆叠累计的方式将材料连接起来构造物体的过程” 。在现实生活中，3D打印已经被广泛运用于航空航天领域比如大型金属结构件的制造、医疗医学领域比如医疗植入物和助听器等设备的制造，制作模板或模具已丢失的零件等等。图一：为歼20或歼31战斗机制造的全球最大3D打印钛合金航空部件 （王华明教授团队，北京航空航天大学）3D打印可以帮助人们提高对个性化产品的生产能力和将设计蓝图电子化保存的储存能力，同时为工程师、设计师提供一条崭新的设计制造途径，以提升现有产品的能力或弥补其不足，而并不是取代传统工艺或与传统工艺相抗衡。如果说传统工艺诸如车床切割是那种打印店里的大型激光打印机，一次打印成千上万张同样的文件又快又省钱，那么3D打印就是你家中自备的桌面打印机，可以按照自己的意愿轻松修改每张文件的细节并且方便快捷地将产品在面前制作出来。根据国际标准ASTM，3D打印囊括了数十种不同的具体加工工艺，根据材料属性，3D打印可以分为基于液体、固体和粉末三种材料的增材制造工艺，而当使用的材料具有记忆性和可编程性，此时的3D打印便可被称为4D打印。 4D打印比3D打印多的一个“D”的到底是啥？3D打印中，D代表Dimension，即维度的意思，那么3D就是指X, Y, Z三个维度，即前后，左右，上下三个方向。通过3个维度便可以构造出一个定义好的空间。在电脑程序辅助下将材料以逐层添加的方式将一个物品在这个三维空间中制造出来的过程就是3D打印。而4D打印中的第四个D，就是第四个维度 —— 时间，即被4D打印制造出来的物体还会随着时间以及周遭环境尤其是温度和湿度的变化而变化。比如，本来被4D打印出来一张平摊在桌面上的 “纸” ，会伴随着水温改变和时间推移而自主弯折起来并搭成一个立方体；又或者，一个本来被4D打印出来的静态“花朵”，其“花瓣”会因为被放入水中和时间的推移而自主旋转起来。图二：平摊的 “纸” 自主弯折构成一个立方体 （Massachusetts Institute of Technology）图三：静态 “花瓣” 在书中自主旋转（Harvard University） 4D打印有哪些应用？它的未来如何？4D打印从诞生之际便成为了生物加工技术中的 “宠儿”，可以根据患者自身情况而相应制造出对应的具有可编程性的医疗部件或物品，从而创造出许多传统医疗无法达到的效果；4D打印在智能建筑中的应用，则能使原来静态建筑中的某些部分 “动” 起来，甚至起到改善居住条件的作用。比如，在临近赤道的岛国新加坡，常年高温并且酷日当头，4D打印部件便可以被应用在遮阳棚的连接处，当正午或下午天气温度过高时，4D打印部件可以自主感应并发生形变将遮阳棚张开，而日落后4D打印部件也可以自主感应并发生形变将遮阳棚收起；借助于4D打印的可编程特性，其在低湿度环境下可以是非常薄且便于成批量携带的 “板材”，而一旦到了布置场地时，可以通过在4D打印的“板材”上喷洒水雾提高湿度从而使得这些 “板材”自主扩张起来并搭成帐篷或住所，从此大大解放了人力并节省了时间。 虽然4D打印具备诸多前瞻性和巨大推进作用的应用和前景，其目前仍受到诸多发展瓶颈的制约，比如材料种类不完全、材料强度偏低、材料价格昂贵、应用测试不完全等等。但是，4D打印技术的发展对于未来医药医疗、人民生活、建筑设计等诸多领域将会起到大幅度的帮助和改变。说不定，在不远的将来，4D打印制造出来的物品和部件会成为我们日常生活中不可缺少的一部分。作者| 吕朕，新加坡3D打印中心，新加坡南洋理工大学审稿| 王城城，博士，新加坡3D打印中心，新加坡南洋理工大学文章由腾讯科普“科普中国头条创作与推送项目”团队推出转载请注明来自“科普中国”