3D打印未搞清，4D已来！什么是4D打印？它会给工业带来什么影响？

文 | Mercè Gamell，ARIS

尽管目前仍处于3D打印革命的阵痛之中，我们已经开始想象未来几十年中，制造流程中的最新突破会带来什么样的改变。这就是所谓的4D打印，一种使用“智能”和可编程材料进行打印的先进成型打印技术，在打印完成之后，它们依然有能力改变其属性和行为。

亮点

随时间而变化的形态-4D打印是一种用可编程材料进行打印的先进成型打印技术。一旦打印完成，材料会随特定的外部刺激而改变其形态或行为，这些外部刺激包括湿度、压力、pH值、温度以及电脉冲应用。其中的第四维，D指代的是动态，不是空间上的，而是时间上的。

三方协作-4D打印的概念是麻省理工学院自组装实验室、3D打印机制造商Stratasys和工业设计专业软件跨国企业Autodesk合作的成果。

可编程材料-就它们的组成而言，这些材料的形态和功能都是动态的，但跟传统材料一样具有成本效益，很容易制造，它们可以扁平包装，然后实现自组装。类似的材料有课编程碳纤维、可编程自定义打印木纹和可编程纺织品。

无需电的机器人-这种技术可以让材料编程他们结构中的一部分，具有特定感觉、逻辑、有功和无功的功能。这种行为就是我们今天希望从机器人身上得到的，但是，却能够没有任何附加的电子或机械零部件。

ARIS分析

4D打印元素-4D对象的创建需要三种技术研究的融合：其一，形状记忆合金、自修复材料以及其他智能材料的发展，它们能相应外界刺激改变它们的形状；其二，3D打印机的可用性，可以用这些材料进行打印，并与它们进行组合；其三，计算机辅助设计和仿真软件，用于控制和优化自组装过程，一旦打印完成，进行材料激活。

影响所有行业-4D打印是智能材料、成型制造技术和自组装软件的结合，其对所有制造行业的影响都非常显著，Frost & Sullivan去年六月发布的报告从最纳米到最宏观预测2019年开始商业化的技术，在医疗和军用领域将会看到它的第一个应用。2024年前，建筑、航空航天和制造业将会成为下一批选择这些4D打印技术的领域。这些技术的宽度和广度可以预测4D打印代表的模式改变。到目前为止，如果我们认为制造是创造成品的过程，那么采用4D打印，物品的制造实际上只是随时间重新配置的动态过程的第一步。即使我们现在看来最坚固和刚性的元件，例如重大基础设施项目中的材料，可以变成，也很可能变成动态、反应和适应性。

可变形、自组装、自修复-这三个概念涵盖了4D打印的可编程材料的性能，让我们可以窥见由新技术带来的未来可能性。在工业领域，机器和材料的可用性可通过自组装降低整个价值链的生产成本，从制造阶段到产品使用后回收。在建筑领域，可适应材料的使用让我们可以畅想砖头能根据施加在他们上面的压力而进行反应，外墙可以根据环境温度改变其隔热性，墙壁可以自修复表面裂缝，管道可以改变他们的形状以确保一直保持合适的水流。在航空和公路运输领域，车辆可以根据周围的环境改变他们的形状。表面可以自清洁，或根据情况改变其渗透性……在医疗保健领域，由软性材料制造的假肢和外骨骼，让肢体残缺的人可以改进其运动能力和抓取能力，未来也可能有医用纳米机器人植入病人的身体里……家用消费市场也可能很大，可编程纺织品、智能衣服和鞋子、当孩子发烧时可以提醒大人照顾他们的衣服、智能时尚单品和珠宝等等的应用。

4D打印的软体重构机器人-不同研究小组的试验均证明，软体机器人的鲁棒性和弹性都很好，但与此同时，他们的运动非常缓慢，也不精确。而刚性机器人则刚好相反，他们非常快、非常精确，效率更高，尤其是对他们施加动力之后，但他们没有弹性，也容易打碎。我们由此可以推断未来的机器人是软性和刚性的结合体，他们的结构将结合智能软性材料和传统刚性材料的特点。当然，不同材料在同一结构中的整合非常复杂。在这一点上，3D和4D打印技术会得出经济实惠的解决方案，那将是传统制造系统无法想象的。最近，来自哈佛大学和加州大学圣迭戈分校的工程师们从研究昆虫的生理机能获得灵感，设计了一个新型的跳跃机器人，它首次采用刚性和软性相间的架构，以获得最大的灵活性和耐用性。生产这种梯级结构的唯一可能是成型制造。

4D打印的市场预测-市场研究机构MarketsandMarkets在最近发布的一份报告中预测，4D打印在刚进入市场的2019年，其销售额将达到6300万美元。可编程碳纤维将占据这一市场的最大份额，约为62%。从2019年到2025年，全球4D打印市场的年复合增长率预计为42.95%，在2025年将达到5.378亿美元。由于材料和4D打印技术研究的主要推动者大部分在北美，这一区域将在最初几年成长为全球最大的市场。

大公司都在卡位-目前，对于智能材料研究的最大投资主要来自于政府，但LEIF和全球企业风险投资的一份研究预测，这一趋势将在未来五年内发生变化，四人投资将大幅增加。他们意识到，在创新技术的早期发展阶段占据一个好位置，将会在未来获得更好的盈利机会，越来越多的不同行业的大公司已经积极投资新材料和成型制造技术研究。根据这份报告，前十大企业风险投资者在过去五年里已经承诺了超过20亿美元投资与这一领域。事实上，某些类型材料的考察，例如轻型自修复或抗腐蚀材料，已经被建筑、自动化或航空等行业看上，这就意味着新的初创企业能够从来自不同行业的融资中受益。