中國(guó)粉體網(wǎng)訊  在當(dāng)下，3D陶瓷打印已經(jīng)展現(xiàn)出了獨(dú)特的魅力，當(dāng)人們還在對(duì)2D到3D打印的技術(shù)革新感到應(yīng)接不暇時(shí)，一種“靈氣十足”的陶瓷打印技術(shù)又橫空出世-4D陶瓷打印技術(shù)。

概念

4D陶瓷打印就是在3D的基礎(chǔ)上增加了時(shí)間維度。4D陶瓷打印直接將設(shè)計(jì)程序內(nèi)置到物料當(dāng)中，讓陶瓷材料在設(shè)定的時(shí)間自動(dòng)變形為所需要的形狀，且可隨時(shí)間變化。

用呂堅(jiān)教授的表述就是，“第4D就是前驅(qū)體，打印在一個(gè)預(yù)變形的基體上，根據(jù)預(yù)變形的不同，最后產(chǎn)生的三維形狀是不同的。但因?yàn)轭A(yù)變形是通過(guò)計(jì)算和可編程的，所以全世界也都承認(rèn)這個(gè)是4D打印�！�

（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）

技術(shù)背景

“4D打印”概念源于2013年初麻省理工學(xué)院自組裝實(shí)驗(yàn)室斯凱拉•蒂比茨的一次現(xiàn)場(chǎng)演示。在著名的技術(shù)、娛樂(lè)、設(shè)計(jì)（Technology Entertainment Design）大會(huì)上，一段繩狀物體被放入水中，物體自動(dòng)折成預(yù)先設(shè)計(jì)的形狀，斯凱拉•蒂比茨稱(chēng)之為4D打印。

最初的4D打印技術(shù)是指在3D打印技術(shù)上增加了一個(gè)時(shí)間的維度，即智能材料經(jīng)過(guò)3D打印成型后，構(gòu)件在外界環(huán)境刺激下會(huì)發(fā)生自身結(jié)構(gòu)的變化，多數(shù)追求的是外形的可變。

隨著研究的深入，4D打印的內(nèi)涵進(jìn)一步得到了豐富，現(xiàn)在認(rèn)為4D打印就是通過(guò)智能結(jié)構(gòu)、智能材料或非智能材料的增材制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的形狀、性能或功能在時(shí)間和空間維度上的可控，滿足變形、變性和變功能的應(yīng)用需求。

在兩年前，中國(guó)香港城市大學(xué)呂堅(jiān)教授研究組便首次實(shí)現(xiàn)了4D陶瓷打印。

關(guān)鍵點(diǎn)

與3D打印相比，4D陶瓷打印對(duì)材料有更高要求，陶瓷前驅(qū)體材料應(yīng)用廣泛，但較難發(fā)生自變形，以及陶瓷材料對(duì)外界刺激的響應(yīng)較差，限制了其在4D打印技術(shù)中的發(fā)展。因此，選擇合適的材料是4D打印的關(guān)鍵。

1、可打印性

如果材料不能用現(xiàn)有的3D打印技術(shù)制造，那么4D打印結(jié)構(gòu)將不存在。因此，可用于3D打印的材料是實(shí)現(xiàn)4D打印的前提。

2、智能性

如果材料結(jié)構(gòu)中不含有“可編程物質(zhì)”，不能實(shí)現(xiàn)任何目標(biāo)在時(shí)間變化上對(duì)刺激的反應(yīng)，依然是傳統(tǒng)意義上的3D打印結(jié)構(gòu)。

因此，4D打印陶瓷材料除了需要滿足3D打印的可行性，還需要具備刺激響應(yīng)材料的特征即智能性。

4D陶瓷打印的應(yīng)用

呂堅(jiān)教授說(shuō)，這種4D陶瓷打印技術(shù)可廣泛應(yīng)用于個(gè)性化定制，優(yōu)勢(shì)在于采用相對(duì)簡(jiǎn)單的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，就可衍生出一系列形狀相似且連續(xù)可變的結(jié)構(gòu)，而傳統(tǒng)的3D打印只能一個(gè)圖紙對(duì)應(yīng)一個(gè)結(jié)構(gòu)。此外，4D陶瓷熱處理只需1000℃即可完成，而傳統(tǒng)陶瓷粉末燒結(jié)則需要1600℃，因此4D打印工藝成本相對(duì)低廉。

1、電子通訊設(shè)備

以電子設(shè)備行業(yè)為例，因?yàn)樘沾刹牧显陔姶判盘?hào)傳輸上的優(yōu)異性能，5G時(shí)代的到來(lái)將會(huì)對(duì)陶瓷產(chǎn)品的發(fā)展提出更高的要求。另外，相較于金屬，陶瓷材料顏值高、質(zhì)感佳、密度低，而且還有不易變形、耐磨防刮、耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。但是，陶瓷材料熔點(diǎn)極高，較難加工成型，因此目前陶瓷產(chǎn)品的應(yīng)用在技術(shù)和成本上受到了極大限制。

4D陶瓷打印技術(shù)較易實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制，尤其是在制造類(lèi)似曲面板這樣的陶瓷結(jié)構(gòu)上，可以實(shí)現(xiàn)超復(fù)雜精細(xì)結(jié)構(gòu)，且成本低、強(qiáng)度高，有望應(yīng)用在包括陶瓷手機(jī)背板和中框、陶瓷手表的表殼、表圈、表鏈等3C(Computer、Communication 、 Consumer Electronic)產(chǎn)業(yè)中。

2、耐熱陶瓷構(gòu)件

作為陶瓷前驅(qū)體的彈性體具有強(qiáng)變形能力，可以提高結(jié)構(gòu)材料適應(yīng)復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境的能力，譬如太空探索。3D打印的前驅(qū)體可以在地面上折疊起來(lái)以節(jié)省空間，然后到太空后展開(kāi)為需要的結(jié)構(gòu)。前驅(qū)體轉(zhuǎn)化為陶瓷后，這些4D打印的陶瓷結(jié)構(gòu)可以被用來(lái)做耐熱結(jié)構(gòu)。

4D打印的概念提出才不到10年，更別提4D陶瓷打印技術(shù)的應(yīng)用了，技術(shù)仍處于探索階段，但隨著研究的不斷深入，4D陶瓷打印技術(shù)也將不斷革新，越來(lái)越多的新材料也會(huì)被賦予生命。

參考來(lái)源

[1]中國(guó)首次實(shí)現(xiàn)陶瓷4D打印.中國(guó)科學(xué)報(bào)

[2]余冬梅.增材制造：從3D到4D

[3]盧海洲.4D打印技術(shù)的研究進(jìn)展

[4]宋波等.4D打印技術(shù)的現(xiàn)狀與未來(lái)

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