從堆棧到自變：3D 到 4D 打印的奇妙進化

來源：交大情機械夢

增材制造技術是一種通過逐層堆積材料、直接根據(jù)數(shù)字模型制造三維實體的技術。其核心原理是將三維設計文件（如CAD模型）切片為薄層，通過激光、噴頭或其他能量源逐層固化或熔融材料（如金屬粉末、光敏樹脂、塑料等），最終堆疊成完整物體，實現(xiàn)產品輕量化、定制化，材料利用率高達98%以上。

圖1 增材制造的各類物品

增材制造的原理步驟
數(shù)字化建模與驗證
首先通過CAD軟件（Solidworks、Blender等）構建三維實體模型，需要確保模型為閉合曲面，以生成明確的封閉容積。這一要求保障了分層切片時每層截面均為閉合曲線，是增材制造的關鍵前提。

圖2 三維實體CAD軟件建模

模型文件格式轉換
進行模型文件格式轉換的目的是將三維模型從CAD軟件中的“設計語言”轉換為3D打印機可識別的“制造語言”。
STL（立體光刻）格式是最常見的文件格式，受到幾乎所有3D打印軟件和硬件支持，其利用大量三角形網(wǎng)格近似表面，轉換穩(wěn)定適合后續(xù)切片處理。

分層切片與G代碼生成
切片軟件（Cura、PrusaSlicer等）將模型切割為薄層，并生成G代碼，記錄每一層的路徑、擠出速度、移動指令等。同時，用戶可設置層厚、填充率、支撐結構、打印速度等參數(shù)，影響制造精度與耗時。

逐層打印成型
打印機根據(jù)G代碼指令控制噴頭或激光等執(zhí)行器，一層層地沉積材料，每一層都附著在前一層之上，最終形成完整的三維結構。

主流增材制造技術
當前增材制造中常見的材料固化方式有三種：材料擠出——熱塑性材料通過噴嘴熔融沉積（FDM）；光聚合——紫外激光（SLA）或投影（DLP）選擇性固化液態(tài)樹脂；粉末熔融——激光或電子束燒結金屬/尼龍粉末（如SLS、EBM）。

熔融沉積成型（FDM）

圖3 熔融沉積3D打印機結構

FDM 技術以其較低的成本和操作的便捷性成為最普及的增材制造技術之一。該技術將熱塑性塑料絲材通過噴頭加熱熔化，然后按照預設的路徑擠出并逐層堆積成型。由于其成型原理和材料特性，F(xiàn)DM 技術的精度相對較低，一般精度在 ±0.2mm~±0.5mm 之間，但足以滿足大部分原型制作的需求。

光固化類

圖4 光固化3D打印機結構

SLA（立體光固化成型）和 DLP（數(shù)字光處理）均基于紫外光源固化液態(tài)樹脂的原理。SLA 通過激光逐點掃描液態(tài)樹脂，使樹脂發(fā)生光聚合反應逐層固化；DLP 則利用數(shù)字投影技術，將整個截面的圖案以面曝光的形式一次性固化。二者都能實現(xiàn)極高的成型精度，通�？蛇_ ±0.1mm，部分高端設備甚至能達到更高精度。

粉末床熔融（PBF）
PBF 技術涵蓋 SLS（選擇性激光燒結）和 SLM（選擇性激光熔化）。SLS 主要使用尼龍、陶瓷等粉末材料，通過激光選擇性地燒結粉末層，未燒結的粉末在成型過程中起到支撐作用，無需額外添加支撐結構。

增材制造前沿應用
增材制造技術近年來發(fā)展迅速，不僅在傳統(tǒng)行業(yè)中應用廣泛，而且在許多前沿領域展現(xiàn)出巨大的潛力。

在醫(yī)療領域，可以利用患者的醫(yī)學影像數(shù)據(jù)定制個性化的假體、關節(jié)或牙科植入物�；蚴峭ㄟ^打印活細胞和生物材料，制造出具有生物功能的組織模型，為器官移植、藥物測試等領域提供新的解決方案。

圖5 3D打印的脊椎骨

在航空航天領域，使用3D打印技術能夠制造出復雜幾何形狀的零件，減少材料的浪費，同時提高結構的強度和耐用性。諸如發(fā)動機組件、機翼支撐部件、復雜管路系統(tǒng)等都可以通過增材制造技術來生產。

圖6 通用電氣航空航天公司生產的功能性

3D打印噴氣發(fā)動機零件[1]

在建筑領域，通過大型3D打印機使用混凝土等材料進行建筑的快速構建，已經成為未來建筑的一種趨勢。無論是小型住宅還是大型公共設施，增材制造可以極大提高施工效率，減少建筑浪費和人力成本。

圖7 華創(chuàng)智造HC1018(V型)智能建筑3D打印機器人

打印建筑模板成品[2]

3D→4D：靜態(tài)到動態(tài)
4D打印是在3D打印的基礎上，引入“時間”維度，通過智能材料和可編程結構，使打印件在環(huán)境刺激（如溫度、濕度、光照、pH等）下發(fā)生預設的形狀或功能變化。

圖8 不同打印維度示意圖[3]

Kuang等在其綜述中也總結了如圖9所示的一些4D打印對外界刺激的反應情況。圖 9(a)展示了圖案化薄片在加熱去離子水（高于聚 N - 異丙基丙烯酰胺脫水溫度）及氯化鈉水溶液中可進行平面與螺旋形態(tài)的可逆轉變，且螺旋形態(tài)隨與薄片長軸角度變化而改變。圖9(b)是打印的復合水凝膠薄片含刺激響應性鉸鏈，其可逆轉變?yōu)榱⒎襟w盒子，呈現(xiàn)由水合作用和溫度變化引發(fā)的折疊 - 展開行為。圖 9(c)表示了由聚富馬酸丙二醇酯片段和刺激響應性的聚（N - 異丙基丙烯酰胺 - 丙烯酸）鉸鏈制成的抓取器，高于 32℃時抓取器閉合，可在低溫引入體內時抓取組織，且抓取器孔隙可用于藥物持續(xù)釋放 。

圖9 4D打印動態(tài)行為功能[4]

由此可見，4D打印讓物體從“靜止”走向“進化”——材料不再是被動的承載體，而是具有感知、響應、適應環(huán)境的主動“生命”。

聯(lián)想至自然界中�？�遇觸收縮、松果遇濕閉合等類似的“刺激-響應”機制，4D打印不僅可以模仿這些生物行為，甚至還能在一個結構中集成多種刺激響應機制，實現(xiàn)多軸、多階段、自我進化式行為。

結語
隨著3D打印技術的飛速發(fā)展，制造業(yè)正在迎來前所未有的變革。從快速原型到小批量定制，3D打印在多個行業(yè)中展現(xiàn)了巨大的潛力。然而，這一技術的局限性也逐漸顯現(xiàn)，特別是在結構的動態(tài)變化與智能響應方面。

4D打印作為3D打印的“進階版”，正站在新時代的風口浪尖。通過引入時間維度和智能材料，4D打印不僅能夠賦予物體“變化的能力”，還能讓物體在環(huán)境變化中自適應調整形態(tài)，實現(xiàn)更高效的制造與應用。

未來的3D和4D打印也將不是孤立發(fā)展的技術，它們將在制造業(yè)、醫(yī)療、環(huán)境保護等多個領域實現(xiàn)深度融合，推動“個性化定制”和“智能制造”的新紀元。我們可以預見，在不久的將來，4D打印將成為更加成熟的技術平臺，推動整個行業(yè)進入一個更加靈活、智能、綠色的制造時代。

圖片來源：

[1] https://3dprintingindustry.com/n ... investment-228977/;

[2] www.ciicchina.com;

[3] https://caddcentre.com/blog/4d-printing-technology/;

[4] Kuang X, Roach D J, Wu J, et al. Advances in 4D printing: materials and applications[J]. Advanced Functional Materials, 2019, 29(2): 1805290.