從堆棧到自變：3D 到 4D 打印的奇妙進(jìn)化

來(lái)源：交大情機(jī)械夢(mèng)

增材制造技術(shù)是一種通過(guò)逐層堆積材料、直接根據(jù)數(shù)字模型制造三維實(shí)體的技術(shù)。其核心原理是將三維設(shè)計(jì)文件（如CAD模型）切片為薄層，通過(guò)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)品輕量化、定制化，材料利用率高達(dá)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(yàn)證
首先通過(guò)CAD軟件（Solidworks、Blender等）構(gòu)建三維實(shí)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(shí)每層截面均為閉合曲線，是增材制造的關(guān)鍵前提。

圖2 三維實(shí)體CAD軟件建模

模型文件格式轉(zhuǎn)換
進(jìn)行模型文件格式轉(zhuǎn)換的目的是將三維模型從CAD軟件中的“設(shè)計(jì)語(yǔ)言”轉(zhuǎn)換為3D打印機(jī)可識(shí)別的“制造語(yǔ)言”。
STL（立體光刻）格式是最常見(jiàn)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(zhuǎn)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(dòng)指令等。同時(shí)，用戶可設(shè)置層厚、填充率、支撐結(jié)構(gòu)、打印速度等參數(shù)，影響制造精度與耗時(shí)。

逐層打印成型
打印機(jī)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(jié)構(gòu)。

主流增材制造技術(shù)
當(dāng)前增材制造中常見(jiàn)的材料固化方式有三種：材料擠出——熱塑性材料通過(guò)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(jié)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(jī)結(jié)構(gòu)

FDM 技術(shù)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(shù)之一。該技術(shù)將熱塑性塑料絲材通過(guò)噴頭加熱熔化，然后按照預(yù)設(shè)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(shù)的精度相對(duì)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(jī)結(jié)構(gòu)

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(guò)激光逐點(diǎn)掃描液態(tài)樹脂，使樹脂發(fā)生光聚合反應(yīng)逐層固化；DLP 則利用數(shù)字投影技術(shù)，將整個(gè)截面的圖案以面曝光的形式一次性固化。二者都能實(shí)現(xiàn)極高的成型精度，通�？蛇_(dá) ±0.1mm，部分高端設(shè)備甚至能達(dá)到更高精度。

粉末床熔融（PBF）
PBF 技術(shù)涵蓋 SLS（選擇性激光燒結(jié)）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(guò)激光選擇性地?zé)�結(jié)粉末層，未燒結(jié)的粉末在成型過(guò)程中起到支撐作用，無(wú)需額外添加支撐結(jié)構(gòu)。

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

在醫(yī)療領(lǐng)域，可以利用患者的醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)定制個(gè)性化的假體、關(guān)節(jié)或牙科植入物�；蚴峭ㄟ^(guò)打印活細(xì)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(cè)試等領(lǐng)域提供新的解決方案。

圖5 3D打印的脊椎骨

在航空航天領(lǐng)域，使用3D打印技術(shù)能夠制造出復(fù)雜幾何形狀的零件，減少材料的浪費(fèi)，同時(shí)提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和耐用性。諸如發(fā)動(dòng)機(jī)組件、機(jī)翼支撐部件、復(fù)雜管路系統(tǒng)等都可以通過(guò)增材制造技術(shù)來(lái)生產(chǎn)。

圖6 通用電氣航空航天公司生產(chǎn)的功能性

3D打印噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)零件[1]

在建筑領(lǐng)域，通過(guò)大型3D打印機(jī)使用混凝土等材料進(jìn)行建筑的快速構(gòu)建，已經(jīng)成為未來(lái)建筑的一種趨勢(shì)。無(wú)論是小型住宅還是大型公共設(shè)施，增材制造可以極大提高施工效率，減少建筑浪費(fèi)和人力成本。

圖7 華創(chuàng)智造HC1018(V型)智能建筑3D打印機(jī)器人

打印建筑模板成品[2]

3D→4D：靜態(tài)到動(dòng)態(tài)
4D打印是在3D打印的基礎(chǔ)上，引入“時(shí)間”維度，通過(guò)智能材料和可編程結(jié)構(gòu)，使打印件在環(huán)境刺激（如溫度、濕度、光照、pH等）下發(fā)生預(yù)設(shè)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(jié)了如圖9所示的一些4D打印對(duì)外界刺激的反應(yīng)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(jìn)行平面與螺旋形態(tài)的可逆轉(zhuǎn)變，且螺旋形態(tài)隨與薄片長(zhǎng)軸角度變化而改變。圖9(b)是打印的復(fù)合水凝膠薄片含刺激響應(yīng)性鉸鏈，其可逆轉(zhuǎn)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(yīng)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(shí)抓取器閉合，可在低溫引入體內(nèi)時(shí)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(dòng)態(tài)行為功能[4]

由此可見(jiàn)，4D打印讓物體從“靜止”走向“進(jìn)化”——材料不再是被動(dòng)的承載體，而是具有感知、響應(yīng)、適應(yīng)環(huán)境的主動(dòng)“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(yīng)”機(jī)制，4D打印不僅可以模仿這些生物行為，甚至還能在一個(gè)結(jié)構(gòu)中集成多種刺激響應(yīng)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)多軸、多階段、自我進(jìn)化式行為。

結(jié)語(yǔ)
隨著3D打印技術(shù)的飛速發(fā)展，制造業(yè)正在迎來(lái)前所未有的變革。從快速原型到小批量定制，3D打印在多個(gè)行業(yè)中展現(xiàn)了巨大的潛力。然而，這一技術(shù)的局限性也逐漸顯現(xiàn)，特別是在結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化與智能響應(yīng)方面。

4D打印作為3D打印的“進(jìn)階版”，正站在新時(shí)代的風(fēng)口浪尖。通過(guò)引入時(shí)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(yīng)調(diào)整形態(tài)，實(shí)現(xiàn)更高效的制造與應(yīng)用。

未來(lái)的3D和4D打印也將不是孤立發(fā)展的技術(shù)，它們將在制造業(yè)、醫(yī)療、環(huán)境保護(hù)等多個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)深度融合，推動(dòng)“個(gè)性化定制”和“智能制造”的新紀(jì)元。我們可以預(yù)見(jiàn)，在不久的將來(lái)，4D打印將成為更加成熟的技術(shù)平臺(tái)，推動(dòng)整個(gè)行業(yè)進(jìn)入一個(gè)更加靈活、智能、綠色的制造時(shí)代。

圖片來(lái)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.