千面材料:4D打印

摘要: 前不久,宝马公司庆祝成立百年之际,在慕尼黑展示了一款4D打印概念车:Vision Next 100。该车不仅顺应了当下正火的无人驾驶的设计理念,而且在制作工艺上采用了4D打印技术。

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摘要


前不久,宝马公司庆祝成立百年之际,在慕尼黑展示了一款4D打印概念车:Vision Next 100。该车不仅顺应了当下正火的无人驾驶的设计理念,而且在制作工艺上采用了4D打印技术——也就是说,相关零部件在满足相应的条件下,可以“自行”完成制作过程,并且自打印出来后便具备完整功能。



尽管3D打印技术和商业应用还未发展成熟,更新的概念:4D打印已迫不及待亮相登场。除了3D打印技术的“长宽高”三个维度,4D打印还多了一项“时间”维度:即通过4D打印出来的东西,突破了传统产品固定形态的限制,而是可以根据前期设定的条件,在某个特定“时间”自动发生形状等方面的改变。


3D打印技术又称增材制造技术,是在数字模型的基础上,通过将材料逐层堆积从而得以制造出实体物品,体现了信息网络技术与先进材料技术等的密切结合。3D打印技术使得传统的平面打印技术走向立体,在实现多维的同时得以兼具功能,从而将“打印”技术延伸到更多领域的制造环节,同时也满足了制造过程更为精密化、智能化的要求。同样的4D打印技术将进一步增强“打印”技术的功能,从而满足因时间变化而发生的变化需求。


4D打印在3D打印的基础上,通过所用材料的特殊化,实现打印技术的创新。4D打印需要使用能够变现的材料,在特定的条件下,如温度、湿度等,不需要外界的作用,即可安装原先设计的产品形态自动折叠成形,同时还将会自动适应外部变化从而实现自我修复以达到适宜的形态。这类特殊材料如Ni-Ti合金、Cu 基合金、Fe 类合金等形状记忆合金Shape Memory Alloys(SMA),因其具有形状记忆、超弹性、热敏等特殊性能有望在汽车制造等行业发挥更大的作用。此外,诸如2015年澳大利亚科学家研发的4D打印水凝胶,因具备材质坚硬且能根据水温不断改变形状,而能做成特殊功能水阀:根据水温自动调节水流粗细、实时改变通水量,未来有望在城市水网、医学器官等方面发挥作用。



第四个维度的增加,使得4D打印技术颠覆了传统的造物方式:先模拟后制造或者在制造的过程中调整模拟的效果,这就对生产制造的设备环境、成本等提出了很高的要求,因而需要大型工厂才能完成。然而4D打印同时发挥软硬件的优势,在产品设计的基础上,特殊材料在特定情况下便可自行成型且兼具功能,不需外力的作用。可以畅想,未来在特殊材料充足、软件开发完备的情况下,在家中即可随时制作所需物品,而不用走传统的批量生产、销售的途径,也会在特殊需求领域发挥作用。


相比于3D打印近30年的发展历史,诞生仅仅3年的4D打印技术还是雏形状态,但其自提出以来便受到广泛关注。美国在4D打印技术的研究和应用上有着开山鼻祖的地位,高校、科研院所以及公司企业在对4D打印进行广泛、深入的开发后已经取得了重要的成果:如全球3D打印龙头领军企业Stratasys与MIT自组实验室一直有着4D打印项目的合作,并成功打印出世界上第一双可以根据人脚的形状和大小自我调节的4D鞋;另外美国的Nervous System公司利用4D打印技术制造弹性贴身布料进而打印出了全球第一件“4D群”,可以根据穿戴者的体型进行自我改变从而实现“永远合身”,或许可以解决消费者“又长胖了去年的衣服穿不了了”的苦恼吧……



对于4D打印技术的市场情况,MarketsandMarkets公司给出了预测:预计到2019年,4D打印技术的市场将扩容至6300万美元,并持续保持增长直至2025年的5556亿美元的水平。就进军领域而言,该公司认为军事和国防部门将引领4D打印市场的整体增长,其次便是航空航天领域。当前美陆军已致力于防护服双重需求的研发工作,希望借助4D技术使得其同时满足保护和轻便的功效。


就商业推广而言,有着30年发展历史的3D打印技术尚且处于成长期初期,呈现出快速上涨阶段:从2011年全球3D打印行业整体收入17.14亿美元到2015年的51。65亿美元,实现复合增长率30%;而我国的3D打印技术则从10亿人民币增长到78亿人民币,复合增长率近70%更为惊人。虽然增长速度可观,但是经营利润却不尽人意,我国乃至全球领先的3D打印公司基本上均处于亏损或微利状态,且我国的3D打印技术公司在规模上还有待扩张。


与之类似,4D打印技术的成熟和推广也将会是一个漫长的过程。无论是特殊材料的探寻和制造,还是设计软件与打印机的完善,都会是一个充满困难的过程。但是4D打印技术所代表的新材料和新制造工艺的发展方向是正确的,未来将会在方方面面反馈给我们。




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