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4D打印技术的发展现状

供稿人:周文鹏  供稿时间:2014-1-14   关键字:4D打印  3D打印  发展现状  
1 4D打印技术的由来
在2013年2月26日美国加州洛杉矶举行的TED(科技、教育和设计)2013大会上,麻省理工学院建筑学院自动化实验室科学家斯凯拉•蒂比茨演示了 4D打印技术。他将一根复合材料放入水中,物体即能自动折成预先设计的形状。这种复合材料有两种核心材料组成,一种合成聚合物在水中可膨胀至超过原体积的两倍,另一种聚合物在水中可变得钢硬。按照设计图将两种材料复合,吸水的物质膨胀,驱动接头处移动,从而创造出预先设定的几何变形。变形速度主要取决于水温和吸水材料的属性。
 
4D打印是一种能够自动变形的材料,将其放入水中,不需要连接任何复杂的机电设备,就能按照产品设计自动折叠成相应的形状。4D打印技术可以不用打印机就能直接让材料快速成型,堪称一场革命性新技术,想象、发展空间巨大。
2 4D打印技术基本原理
4D打印就是在传统3D打印的概念中加入了时间元素,被打印物体可以随着时间的推移而在形态上发生自我调整。4D打印并不是“第四维度”,按照斯凯拉•蒂比茨的概念来解释,就是自我组装,即材料自动变成预设的模型,通过软件设定模型和时间,变形材料会在指定时间之内变形为所需的形状。
 
4D打印让快速建模有了根本性的转变。与3D打印的预先建模然后使用物料成形并不一样,4D打印直接将设计内置到物料当中,简化了从“设计理念”到“实物”的创物过程。让物体如机器般“自动”创造,不需要连接任何复杂的机电设备。但4D打印对打印材料有了更高的要求,且该技术目前只能“打印”自动变形的条状物体,下一步研究的目标是“打印”片状物体,然后才是结构更加复杂的物体。
3 4D打印的技术突破点
4D打印简言之是一种无需打印机器就能让材料快速成型的新技术,而3D打印需要通过打印机实现。与3D打印需要建模、扫描不同,4D打印更为智能,物料可自行“创造”,简化了打印过程,但对打印材料有了更高要求。
 
斯凯拉•蒂比茨认为,4D打印让快速建模有了根本性的转变。与3D打印的预先建模之后使用物料成型不同,4D打印直接将设计内置到物料当中,简化了从“设计理念”到“实物”成型的过程。让物体实现“自动”创造,不需要连接任何复杂的机电设备。
 
根据上述说法,4D打印技术与3D打印有本质区别,4D打印改变了打印的概念,是通过软件控制特殊的材料完成物体的制造过程,以及满足实际需求的形状等变化过程。4D打印技术完全颠覆了传统的物体制造方式,传统的方式是先模拟后制造,或者一边建造一边调整模拟效果。
 
基于以上理解,4D打印技术包含的关键技术有:材料技术、软件设计技术。
 
一是材料技术。目前,麻省理工学院4D打印用的复合材料由美国Stratasys公司提供,所用材料内嵌入了改变形状的能力。4D材料与记忆金属不同。Stratasys公司已开发出的产品包括个人3D打印机、Uprint桌面3D打印机、工业级3D打印机等。
 
二是软件技术。为使麻省理工学院的4D打印技术得到充分运用,Autodesk公司的研发团队还设计了新软件Cyborg,可以用于自我组装和可编程的模拟材料,实现设计的优化和材料的折叠。
4 结语
本文在研究3D打印技术、并查阅4D打印技术的相关资料基础上,认为符合工业制造领域技术的未来发展方向,4D打印是智能化的创造过程。
 
4D打印是一个新事物,其概念是全新的,技术是创新的,市场发展空间巨大。通过硬件和软件的紧密结合,4D打印颠覆了传统的造物方式,不但创造出有智慧、有适应能力的新事物,还可以彻底改变传统的工业打印甚至建筑行业。
 
对于4D打印技术的运用,蒂比茨认为这种能够自我变形的特性,可以让物体实现在地下管道等难以接触到的地方进行自我组装。这一技术将来还有可能应用到家具、自行车、汽车、甚至建筑物等物体的制造上。
 
4D打印的出现,带来人们观念的改变,思维的开拓,对实体经济将带来巨大推动力,相关行业获得新的发展空间,甚至产生技术上的革命。
参考文献
[1] 王巍. 麻省理工推出4D打印 产品随时间变化改变形状[N/OL].中国国防科技信息网2013-03-05. http://news.qq.com/a/20130305/000282.htm
[2] 4D打印技术问世 放在水里“自我组装”[N/OL]. 中国网 2013-03-06
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