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千面材料：4D打印

2017-10-10 11:36:55 作者：本網整理來源：普惠研究院分享至：

前不久，寶馬公司慶祝成立百年之際，在慕尼黑展示了一款4D打印概念車：Vision Next 100。該車不僅順應了當下正火的無人駕駛的設計理念，而且在制作工藝上采用了4D打印技術——也就是說，相關零部件在滿足相應的條件下，可以“自行”完成制作過程，并且自打印出來后便具備完整功能。

盡管3D打印技術和商業應用還未發展成熟，更新的概念：4D打印已迫不及待亮相登場。除了3D打印技術的“長寬高”三個維度，4D打印還多了一項“時間”維度：即通過4D打印出來的東西，突破了傳統產品固定形態的限制，而是可以根據前期設定的條件，在某個特定“時間”自動發生形狀等方面的改變。

3D打印技術又稱增材制造技術，是在數字模型的基礎上，通過將材料逐層堆積從而得以制造出實體物品，體現了信息網絡技術與先進材料技術等的密切結合。3D打印技術使得傳統的平面打印技術走向立體，在實現多維的同時得以兼具功能，從而將“打印”技術延伸到更多領域的制造環節，同時也滿足了制造過程更為精密化、智能化的要求。同樣的4D打印技術將進一步增強“打印”技術的功能，從而滿足因時間變化而發生的變化需求。

4D打印在3D打印的基礎上，通過所用材料的特殊化，實現打印技術的創新。4D打印需要使用能夠變現的材料，在特定的條件下，如溫度、濕度等，不需要外界的作用，即可安裝原先設計的產品形態自動折疊成形，同時還將會自動適應外部變化從而實現自我修復以達到適宜的形態。這類特殊材料如Ni-Ti合金、Cu 基合金、Fe 類合金等形狀記憶合金Shape Memory Alloys（SMA），因其具有形狀記憶、超彈性、熱敏等特殊性能有望在汽車制造等行業發揮更大的作用。此外，諸如2015年澳大利亞科學家研發的4D打印水凝膠，因具備材質堅硬且能根據水溫不斷改變形狀，而能做成特殊功能水閥：根據水溫自動調節水流粗細、實時改變通水量，未來有望在城市水網、醫學器官等方面發揮作用。

第四個維度的增加，使得4D打印技術顛覆了傳統的造物方式：先模擬后制造或者在制造的過程中調整模擬的效果，這就對生產制造的設備環境、成本等提出了很高的要求，因而需要大型工廠才能完成。然而4D打印同時發揮軟硬件的優勢，在產品設計的基礎上，特殊材料在特定情況下便可自行成型且兼具功能，不需外力的作用?？梢詴诚耄磥碓谔厥獠牧铣渥?、軟件開發完備的情況下，在家中即可隨時制作所需物品，而不用走傳統的批量生產、銷售的途徑，也會在特殊需求領域發揮作用。

相比于3D打印近30年的發展歷史，誕生僅僅3年的4D打印技術還是雛形狀態，但其自提出以來便受到廣泛關注。美國在4D打印技術的研究和應用上有著開山鼻祖的地位，高校、科研院所以及公司企業在對4D打印進行廣泛、深入的開發后已經取得了重要的成果：如全球3D打印龍頭領軍企業Stratasys與MIT自組實驗室一直有著4D打印項目的合作，并成功打印出世界上第一雙可以根據人腳的形狀和大小自我調節的4D鞋；另外美國的Nervous System公司利用4D打印技術制造彈性貼身布料進而打印出了全球第一件“4D群”，可以根據穿戴者的體型進行自我改變從而實現“永遠合身”，或許可以解決消費者“又長胖了去年的衣服穿不了了”的苦惱吧……

對于4D打印技術的市場情況，MarketsandMarkets公司給出了預測：預計到2019年，4D打印技術的市場將擴容至6300萬美元，并持續保持增長直至2025年的5556億美元的水平。就進軍領域而言，該公司認為軍事和國防部門將引領4D打印市場的整體增長，其次便是航空航天領域。當前美陸軍已致力于防護服雙重需求的研發工作，希望借助4D技術使得其同時滿足保護和輕便的功效。

就商業推廣而言，有著30年發展歷史的3D打印技術尚且處于成長期初期，呈現出快速上漲階段：從2011年全球3D打印行業整體收入17.14億美元到2015年的51。65億美元，實現復合增長率30%；而我國的3D打印技術則從10億人民幣增長到78億人民幣，復合增長率近70%更為驚人。雖然增長速度可觀，但是經營利潤卻不盡人意，我國乃至全球領先的3D打印公司基本上均處于虧損或微利狀態，且我國的3D打印技術公司在規模上還有待擴張。

與之類似，4D打印技術的成熟和推廣也將會是一個漫長的過程。無論是特殊材料的探尋和制造，還是設計軟件與打印機的完善，都會是一個充滿困難的過程。但是4D打印技術所代表的新材料和新制造工藝的發展方向是正確的，未來將會在方方面面反饋給我們。

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責任編輯：王元

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