全球首個陶瓷4D列印系統出爐！它比3D列印到底強在哪？

作者/呂朕

審稿/王城城，博士

新加坡3D列印中心，新加坡南洋理工大學

本文首發於「科普中國頭條創作與推送」

2018年8月，據物理學組織網報導，香港城市大學的研究團隊成功開發出全球首款陶瓷4D列印系統，列印出的陶瓷堅固且擁有複雜的形狀，有望在電子和航空航天領域大展拳腳。憑藉「陶瓷墨水」的變形能力和優異的電磁信號傳輸能力，其在電子產品製造方面的應用可能性非常大。同時，由於陶瓷是一種能承受高溫的機械強度高的材料，4D列印陶瓷有很大潛力用作航空航天的推進部件。

作為一種有可能用於航空航天、電子產品、消費者產品等領域開發新產品的技術，4D列印到底是一種什麼樣的技術？它和耳熟能詳的3D列印相比，多出的一個「D」到底是什麼？它對於未來人類生活和工業發展到底有怎麼樣的影響？

「青出於藍而勝於藍」：4D列印源於3D列印的具有「智慧」的可編程物體

4D列印概念成型於2013年前後，由美國麻省理工學院 (Massachusetts Institute of Technology) 的自組裝實驗室 (Self-Assembly Laboratory) 主任Skylar Tibbits在TED talk時向公眾提出：宛如沒有電線和馬達的機器人進行移動一般，4D列印大多數情況下是基於多材料3D列印製造出來的部件，能夠具備靜態3D列印部件不具備的一個功能——自主變形。歸根究底，4D列印是基於3D列印的創新，即當3D列印中使用的材料具有記憶性和可編程性時，這種3D列印物品和技術就可被稱為4D列印。

3D列印學名為增材製造，舊稱快速成型。在2009年，根據ASTM國際標準，增材製造被定義為「一個與減材製造相反，利用3D模型數據，通常已逐層堆疊累計的方式將材料連接起來構造物體的過程」。在現實生活中，3D列印已經被廣泛運用於航空航天領域比如大型金屬結構件的製造、醫療醫學領域比如醫療植入物和助聽器等設備的製造，製作模板或模具已丟失的零件等等。

為殲20或殲31戰鬥機制造的全球最大3D列印鈦合金航空部件 （王華明教授團隊，北京航空航天大學）

3D列印可以幫助人們提高對個性化產品的生產能力和將設計藍圖電子化保存的儲存能力，同時為工程師、設計師提供一條嶄新的設計製造途徑，以提升現有產品的能力或彌補其不足，而並不是取代傳統工藝或與傳統工藝相抗衡。如果說傳統工藝諸如車床切割是那種列印店裡的大型雷射印表機，一次列印成千上萬張同樣的檔案又快又省錢，那麼3D列印就是你家中自備的桌面印表機，可以按照自己的意願輕鬆修改每張檔案的細節並且方便快捷地將產品在面前製作出來。

根據國際標準ASTM，3D列印囊括了數十種不同的具體加工工藝，根據材料屬性，3D列印可以分為基於液體、固體和粉末三種材料的增材製造工藝，而當使用的材料具有記憶性和可編程性，此時的3D列印便可被稱為4D列印。

4D列印比3D列印多的一個「D」的到底是啥？

3D列印中，D代表Dimension，即維度的意思，那麼3D就是指X, Y, Z三個維度，即前後，左右，上下三個方向。通過3個維度便可以構造出一個定義好的太空。在電腦程式輔助下將材料以逐層添加的方式將一個物品在這個三維太空中製造出來的過程就是3D列印。而4D列印中的第四個D，就是第四個維度——時間，即被4D列印製造出來的物體還會隨著時間以及周遭環境尤其是溫度和濕度的變化而變化。比如，本來被4D列印出來一張平攤在桌面上的 「紙」 ，會伴隨著水溫改變和時間推移而自主彎折起來並搭成一個立方體；又或者，一個本來被4D列印出來的靜態「花朵」，其「花瓣」會因為被放入水中和時間的推移而自主旋轉起來。

平攤的 「紙」 自主彎折構成一個立方體 （Massachusetts Institute of Technology）

靜態 「花瓣」 在書中自主旋轉（Harvard University）

4D列印有哪些應用？它的未來如何？

4D列印從誕生之際便成為了生物加工技術中的 「寵兒」，可以根據患者自身情況而相應製造出對應的具有可編程性的醫療部件或物品，從而創造出許多傳統醫療無法達到的效果；4D列印在智能建築中的應用，則能使原來靜態建築中的某些部分「動」起來，甚至起到改善居住條件的作用。

比如，在臨近赤道的島國新加坡，常年高溫並且酷日當頭，4D列印部件便可以被應用在遮陽棚的連接處，當正午或下午氣象溫度過高時，4D列印部件可以自主感應並發生形變將遮陽棚張開，而日落後4D列印部件也可以自主感應並發生形變將遮陽棚收起；藉助於4D列印的可編程特性，其在低濕度環境下可以是非常薄且便於成批量攜帶的「板材」，而一旦到了布置場地時，可以通過在4D列印的「板材」上噴灑水霧提高濕度從而使得這些 「板材」自主擴張起來並搭成帳篷或住所，從此大大解放了人力並節省了時間。

雖然4D列印具備諸多前瞻性和巨大推進作用的應用和前景，其目前仍受到諸多發展瓶頸的製約，比如材料種類不完全、材料強度偏低、材料價格昂貴、應用測試不完全。但是，4D列印技術的發展對於未來醫藥醫療、人民生活、建築設計等諸多領域將會起到大幅度的幫助和改變。說不定，在不遠的將來，4D列印製造出來的物品和部件，會成為我們日常生活中不可缺少的一部分。

TAG: |