4d打印。近日，世界上第一座装配式混凝土3D打印赵州桥日前在河北工业大学落成；全球最大3D打印巡逻艇在美国缅因大学实验室内“下水”……3D打印技术日渐成熟，不断创造新的可能，然而你可能想不到的是，一种更先进的4D打印技术已经悄然兴起了。
4D打印？没骗人吧？让打印的东西具备长宽高的3D形状，在物理上说得通，再增加一个维度，似乎不可能吧？事实上，所谓4D打印就是让打印的对象具备变形能力，在特定时间或激活条件下，无须人为干预，便可按照事先的设计进行自我调整。
没错，这就是4D打印，随着时间的推移，打印出来的东西会变形。这让人们不由得发出感叹：科学技术的发展真是新奇又神速。
4D打印技术的秘密
4D打印技术，是在3D打印的基础上发展起来的。3D包含的3个维度指的是长度、宽度和高度，利用3D技术可以打印出从牛排到手枪等无数产品；而4D打印增加的一个维度是指时间。因此有人将4D打印技术的概念简化为这样一个公式：4D= 3D＋时间。
与3D打印技术相比，4D打印的最大特点是，产品打印出来后，会随着时间的推移，按照预先设定的模式和时间自我调适，慢慢改变形状。例如，一根管子可以根据水的流量大小进行膨胀和收缩，或者自行起伏波动来传送水流；一根绳子可以将自己扭转成一个立方体；一只咖啡杯会根据咖啡的不同温度作出适当调整；或者使购回的家具按照不同需要自行组装……
4D打印技术的关键
这些“特异功能”之所以能够实现，关键依靠两条：一是创新的设计理念和计算机软件；二是采用了特殊的原材料。
就设计理念而言，传统的造物过程一般是先模拟后制造，或者一边建物一边调整模拟效果。与3D打印的预先建模而后使物料成形不同，4D打印是直接将设计内置到物料当中，在物料内嵌入了改变形状的能力，简化了从“设计理念”到“实物”的创造过程，从而使快速建模发生了根本性改变。在这里，打印将不再是创造过程的终结，而成为一个转折点。这就好像把智慧植入到了材料当中，使材料变成没有电线和发动机、具有自主意识的“机器人”。
4D打印所采用的材料是一种能自动变形的智能材料。科学家通过软件完成建模和时间设定后，将这些材料置入水、热、电等介质中，用水能、热能、电能作为能量来源，它们就会在指定时间自动改变成所需要的形状。例如，美国的一个设计工作室耗资约1.6万元人民币，通过3316个连接点把2279个打印块连在一起，为一位女模特量身定制了世界首件可变形连衣裙，从而使4D打印技术变得更加具有实用价值和潜在的竞争力。
4D打印技术的突破
4D打印技术问世的最初阶段，还只适合制造一些体积较小（如沙发）和质地较软（如塑料）的产品，而要制造形状复杂、结构坚固、可变形的陶瓷制品却困难重重。
为了应对这些挑战，香港城市大学用两年半时间，研发出一种新型“陶瓷墨水”–某种聚合物和陶瓷纳米粒子的混合物，用它打印的陶瓷前驱体非常柔软，可比最初长度延长3倍。这些灵活、可延伸的陶瓷前驱体，使陶瓷折纸结构打印成为可能。经过适当的热处理，它们就可以被制成形状较大、结构复杂的陶瓷制品。其中最有代表性的成果之一，就是世界著名建筑物悉尼歌剧院的外观模型。
4D打印技术的前景
实现4D打印这一过程，听起来似乎很简单，其实不然。据研发人员介绍，“从制造墨水到研发整个打印系统，我们尝试了许多不同的方法，就像往蛋糕上挤奶油一样，影响效果的因素很多–从奶油的种类、裱花嘴的大小，到挤压的速度和力度，再到温度的调控，都有影响。”
鉴于以上的优越性，4D打印技术的应用范围十分广泛，甚至可能是无穷的。
首先是在电子产品领域。陶瓷材料在传输电磁信号方面远远优于金属材料，随着5G时代的到来，陶瓷产品在电子产品制造中将扮演越来越重要的角色。
其次是在建筑工程领域。设想一下，长期受容量固定和维护成本高昂因素困扰的城市地下管道系统，今后如果能利用可编程的材料，使每条管道都能适应变化的环境，并能通过扩大或缩小来调整容量和流量，管道甚至还能在受损时自行维护或在报废时分解，那将会是一种何等理想的材料？
再次，这项技术在航空航天和国防工业领域也将大有作为。由于陶瓷是一种能承受高温、高压的坚固材料，它被用作航天推进器部件的潜力巨大。美军已开始利用3D打印技术研发新装备，4D打印技术则可以让美军制造出能适应各种地形的车辆外壳，或能发现有毒气体的制服。
此外，陶瓷具有艺术性，能被制成形态各异、结构复杂的艺术品，其中手机的后盖也许会是一种不错的选择。
4D打印技术的发展方兴未艾。下一步，研究人员的目标是进一步完善相关的计算机软件，进一步强化陶瓷等材料的力学特性（例如降低它的脆度），以期在不久的将来，让这项创新技术能在更多的领域得到推广应用，使之真正成为“促进下一代产业革命的催化剂”。
来源：江苏科技报 特约撰稿人：王瑞良
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