與3D打印相比,4D打印增加了一個可變維度,其核心是材料自組裝,即在3D打印過程中,在預先設(shè)定的部位內(nèi)置入智能材料。打印完成后,將產(chǎn)品置于特定的環(huán)境中,智能材料在外界環(huán)境的作用下發(fā)生物理或化學變化,導致產(chǎn)品形狀、強度等發(fā)生改變,最終按照產(chǎn)品設(shè)計,折疊成相應形狀。

4D打印技術(shù)更多地依賴材料,而非打印技術(shù)。它所需要的并非一般的普通材料,而是帶有記憶功能的智能材料,是一種能夠感知外部刺激,并能夠通過判斷而進行自我變形、組裝的新型功能材料。該材料不僅具備可打印性,還要具有傳感功能、反饋功能、信息識別與積累功能、響應功能、自我變形能力、自我組裝能力、自我診斷能力、自我修復能力和超強適應能力,以及快速響應的變形組裝能力?，F(xiàn)階段,4D打印所需要的材料一般包括電活性聚合物、形狀記憶材料、壓電材料、電磁流變體、磁致伸縮材料等。除了對材料要求較高以外,4D打印還需要具備觸發(fā)智能材料自我改變的“催化劑”。根據(jù)不同的打印材料,這一“催化劑”可以是水,也有可能是光、熱、聲音、震動、氣體等,當觸發(fā)介質(zhì)發(fā)生變化時,4D打印材料會自動響應,改變形態(tài)。

美國研究機構(gòu)將4D打印技術(shù)研究的熱點和重點集中在智能材料領(lǐng)域。美國各大學的硏究機構(gòu)紛紛參與4D打印智能材料的研發(fā)。

美國哈佛大學工程與應用科學學院、匹茲堡大學斯旺森工程學院、伊利諾伊大學的研究人員共同運用其在納米和微觀層面操縱材料的技術(shù)能力與研究優(yōu)勢,研究出可以隨著時間推移修改結(jié)構(gòu)的仿生復合材料。這種材料能夠根據(jù)外界刺激,重新調(diào)整形狀、性能或功能,具有自適應、靈活輕盈、堅固等特點,而不是靜態(tài)或簡單地改變形狀的材料,這也為生產(chǎn)新一代智能傳感器、涂料、紡織品及結(jié)構(gòu)件開辟了新途徑。

美國佐治亞理工學院和新加坡科技與設(shè)計大學的研究人員共同研發(fā)了可制造出由組件自行折疊形成的3D物體。這些組件可以壓扁或卷成管狀,并能以準確定時的方式對溫度、濕度或光線等刺激做出反應,從而形成立體結(jié)構(gòu)。這項研究成果利用多種不同的智能形狀記憶聚合物材料,按照設(shè)計好的模式制作出自折疊結(jié)構(gòu)。

4D打印可以實現(xiàn)由-種三維結(jié)構(gòu)變形成另-種三維結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的可變化也為4D打印技術(shù)帶來廣闊的應用前景,例如,4D打印有利于新型醫(yī)療植入物的制造。對于心臟支架而言,如果采用4D打印技術(shù),將不再需要給病人做開胸手術(shù),可通過血液循環(huán)系統(tǒng)注射攜帶設(shè)計方案的智能材料,到達心臟指定部位后自我組裝成支架;

4D打印生產(chǎn)的武器裝備可根據(jù)環(huán)境和攻擊目標而優(yōu)化武器攻擊性能，從而提高作戰(zhàn)效能。美國陸軍和海軍已經(jīng)考慮采用4D打印技術(shù)制造軍事裝備零部件,以減少因運輸和儲存帶來的巨大成本和損耗,啟動具有適應各種地形的車輛研發(fā)制造；4D打印可使智能材料感知外光的變化，自動實現(xiàn)與周圍環(huán)境融為一體，從而改善偽裝效果，設(shè)計生產(chǎn)“自適應偽裝作戰(zhàn)服”。該作戰(zhàn)服如果成功，則具有以下三個方面的典型特色：（1）隱身功能，該服裝能在不同的環(huán)境下自由變換色彩，實現(xiàn)士兵的自適應隱身；（2）適穿功能，根據(jù)溫度的變化自動調(diào)節(jié)服裝厚度和透氣性，實現(xiàn)士兵的自適應舒適性；（3）防彈功能，根據(jù)所受外力自動調(diào)節(jié)軟服裝外圍硬度，平時穿著柔軟如織，遇子彈襲擊堅硬如鋼，實現(xiàn)士兵的自適應保護。

大型軍用構(gòu)建制造的成本控制一直是個難題，然而利用4D打印技術(shù)可以大為改善，我們可以控制智能材料的關(guān)鍵部位敏感部位，把大型構(gòu)件設(shè)計成折疊狀，然后利用3D打印機得到半成品，通過特殊的參數(shù)刺激控制來實現(xiàn)大型軍用構(gòu)件的自動展開。例如將4D打印技術(shù)應用于軍用人造衛(wèi)星，通過該技術(shù)的自動展開和組裝功能快速成型帆板和天線等大型構(gòu)件，將大大減少機械部件的數(shù)量和重量，降低發(fā)射軍用衛(wèi)星所需成本。

試想戰(zhàn)機的各個部件若用4D打印技術(shù)制造，則何懼敵人炮火攻擊，損壞的部件會快速被生長出的新部件所取代，完好如初。

預計在2019年,全球4D打印市場規(guī)模將達到6300萬美元,2025年將上升至5.3億美元。其中,預計2019年~2025年亞太地區(qū)的復合年增長率最高,將會達到51.75%。從企業(yè)競爭態(tài)勢看,全球最大的二維/三維設(shè)計和工程軟件公司歐特克(Autodesk)、3DFSystems等在4D打印市場上已有布局,且處于領(lǐng)先位置。其中,歐特克(Autodesk)及Stratasys參與了麻省理工學院的4D打研發(fā)項目,歐特克向麻省理工學院提供了4D打印輔助軟件Cyborg,Stratasys正在開發(fā)不同硬度及彈性的新型材料。

隨著4D打印的出現(xiàn)，有望推動個性化訂制向私人化工廠發(fā)展。4D打印技術(shù)出現(xiàn)后,其所改變的將不再只是個性化訂制問題,而是讓每個人實現(xiàn)自定義工廠、自主化生產(chǎn)成為可能。另外,當前以商品或設(shè)備整體銷售為主的商業(yè)模式將得以改變,消費者所購買的將不再是已有的固態(tài)產(chǎn)品,而是根據(jù)自己的需求購買相應的經(jīng)4D打印的關(guān)鍵部件,通過外部環(huán)境的變化實現(xiàn)物件的動態(tài)調(diào)整。