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3D打印方兴未艾4D打印向您走来

发布时间:2018-06-11 01:07:00 文章来源:未来智库    
    最近,3D打印领域的知名专家史蒂夫・海勒(Steve Heller)对全球3D打印的热点领域进行了分析,他认为今后一段时间,3D打印将在原型、医疗保健、航空航天、直接制造业以及艺术创作等领域继续发力。
    3D打印的原型应用一直在欧洲模具展上有庞大的展览阵容。基本上,当企业把3D打印技术作为一种快速成型应用运用在原型开发上,会使产品推向市场的速度更快。这一趋势肯定会继续下去,同时将会有新的3D打印材料的应用,从而扩大3D打印的应用领域。
    如在医疗保健相关领域,仅齿科方面使用德国EOS公司的3D打印设备已经打印了上千万的牙冠和牙桥。也就是说,如今世界上至少有1000万人嘴巴里的牙冠和牙桥是3D打印的。在欧洲模具展上,还看到了3D打印髋关节植入物,你可以根据患者的实际情况直接打印出最终的植入物,不需要模具以及其他工具,就可以为患者提供个性化的一次性治疗解决方案。随着3D打印应用的普及以及越来越多的艺术设计人员投入其中,3D打印在人像玩偶方面的应用也越来越成熟,打印出来的人像也开始从形似迈向神似,越来越生动传神。航空航天与医疗保健是3D打印领域的两大增长动力。目前航空航天领域主要使用的是金属3D打印技术,尤其是直接金属激光打印应用。随着航空航天领域需求的不断增加,必将会持续推进金属3D打印技术水平的进一步提升。
    颜色也会是3D打印的一大焦点。最近3DSystems、Stratasys均有功能强大的彩色3D打印技术问世,此外还有McorTechnologies公司提供的彩色3D纸打印技术。可以预见,未来的企业将会更多地需要全彩色的产品原型,而不是单调的灰度原型。如果技术成本能够进一步降低,这也是一个发展趋势。
    另外,在直接制造业方面,更有前途远大的发展前景。随着3D打印技术的发展,未来会越来越多地出现直接打印最终产品的3D打印机,这是该行业成熟的标志之一,很多企业正在向这个方向努力。
     4D打印渐行渐近
    继承3D打印而来的4D打印,虽然刚刚起步,但或许用不了多久,利用4D打印技术,科幻电影中的场景就会逼真地发生在我们身边:一根拐杖在下雨的时候就变成了雨伞;房屋建筑可以自动“长”出屋顶、承重墙……能够让打印物“活”过来的4D打印技术,有望在不久的将来改变我们的生活。
    最近,由美国“神经系统”设计工作室打造的全球首件4D打印连衣裙问世。这件衣服最大的特点在于可以自动适应环境,即便在运动中也会时刻贴合穿戴者的身体。这便是4D打印的神奇所在。关于4D打印我们需要一些基本的了解,人们最为熟知的是2D打印,在平面上打印个文件、图纸、照片之类,是X、Y构成的维度。而到了3D打印,通俗的理解就是在X、Y维度的基础上增加一个Z的维度,构成了三维立体。但到了4D打印,所增加的维度不仅是X、Y、Z所构成的立体维度,而是在这些维度之外再增加时间维度。简单理解,所谓4D打印就是在一个立体维度的基础上,再增加一个维度,那就是时间。2D、3D、4D,看起来像一个等差数列,实际上就是每一级增加了一个D,即打印出来的物体增加了一个维度。如果说2D是X、Y,3D是X、Y、Z,那么4D就是在X、Y、Z基础上增加了T。这就意味着4D打印融入了时间,可以打印出随时间变化而改变的物体,这种改变我们可以理解为自我组装。
    在两年前的美国TED大会上,计算机科学家斯凯拉・迪比茨首次通过视频向外界展示了魔术般的4D打印技术――一根奇特材质的小棍扔到水里后,慢慢扭曲变形成麻省理工学院的缩写字母“MIT”。斯凯拉・迪比茨称,这一新技术的灵感来自于生物的自我复制。看似很玄妙的4D打印技术其实并不神秘,按照专家的解释,4D打印就是3D打印技术与智能材料性能的结合,即智能材料结构在3D打印的基础上,通过外界环境刺激,随着时间实现自身结构变化。
    有专家表示,4D打印领域的进步将更多地依赖材料本身,而非打印技术。另外,并不是说任意材料都可以被“激活”,而是需要具有模仿生物体的自增值性、自修复性、自诊断性和环境适应性等的智能材料才行。据专家介绍,4D打印所需要的智能材料一般包括电活性聚合物、形状记忆材料、压电材料、电磁流变体、磁致伸缩材料等。4D打印除了对打印材料要求较高外,还需要具备另一项非常关键的因素,即要有触发自我组装的“催化剂”。这一“催化剂”不一定是水,根据不同的打印材料,也有可能是光、热、声音、震动、气体,甚至是电子。也就是说,通过软件设定好模型和时间后,在特定环境下,无须人为干预,无须通电,4D打印物便可按照事先的设计,在规定的时间内进行自我组装。
    借助4D打印技术制造出的智能结构,可以发生由一维或二维结构向三维结构的变化,或者由一种三维结构变形成另一种三维结构。这种结构的随意变化也给4D打印技术的应用带来无穷的畅想,而生物医疗领域最有可能成为该炫技的主秀场。麻省理工学院数学家丹雷维夫曾表示,4D打印有利于新型医疗植入物的发明。比如心脏支架,如果采用4D打印技术制造,将不再需要给病人做开胸手术,可通过血液循环系统注入携带设计方案的智能材料,到达心脏指定部位后自我组装成支架。如今,深圳光华伟业实业有限公司就正在与合作伙伴共同开发带有记忆功能的生物心脏支架。该公司董事长杨义浒表示,他们将对带有记忆功能的材料进行精确控制,使之在一定的外部条件(比如温度、压力)下,恢复预设的形态。
    此外,多自由度操作臂也是微创技术未来发展的研究难点。有关专家表示,他们正在自主研发智能材料,并通过4D打印技术应用于多自由度操作臂的制造研究中。未来,手术操作臂可以像蛇一样,通过食道、肛门等人的自然腔道进入人体,并在体内任意更改方向。另外,牛津大学圣安东尼学院荣誉学者纳伊夫・鲁赞曾在美国《外交》双月刊网站发文称,借助4D打印的原理,研究人员还能够利用DNA链制造出对抗癌症的纳米机器人。
          4D打印从概念到现实尚有诸多瓶颈
    专家认为,目前4D打印技术还处于概念阶段,并且在未来较长的一段时间内也主要停留在试验研究阶段。在实现种种畅想之前,仍有许多瓶颈需要突破。
    业内人士表示,目前4D打印技术主要有3个短板:一是打印机的规模太小,且缺少高精度、可靠性较高的打印机;二是所需特殊智能材料的贫乏;三是人才储备短缺。与此同时,加工工艺、材料设计、装备制造等技术水平也都是制约4D打印技术发展的主要障碍。
    在3D打印的世界里,当我们需要打印大型工程项目时,必须使用大型机器才能制造出所需的大型材料。比如建筑、管道等物品的打印,都对打印机提出了较高的要求,这也让3D打印技术的推广与普及遇到了现实的屏障。面对3D打印的前车之鉴,4D打印走出了另外一条道路,那就是依赖“智慧”材料让打印物在打印完成之后具有自变形的能力,这在很大程度上缓解了打印机对技术发展的掣肘情况。但是,“智慧”打印也就意味着对打印设备提出了更高的技术要求,而由此导致设备价格昂贵的问题将在所难免。
    专家指出,除了设备本身的制约之外,4D打印所面临的比3D打印更为严峻的问题,便是对特殊性打印材料的需求,因为相比3D打印而言,4D打印对所需材料的要求更高。第一,4D打印所需要的并非一般的普通材料,而是能感知外部刺激、带有记忆功能的智能材料;第二,该材料不仅具备3D打印材料的那种可打印性,还要具有传感功能、反馈功能、信息识别与积累功能、响应功能、自我变形能力、自我组装能力、自我诊断能力、自我修复能力和超强适应能力。由于智能材料制造工艺复杂,传统制造方法只能制造简单形状的智能材料,难以制造复杂形状的材料结构,因而严重限制了智能材料结构的发展与应用。而4D打印主要取决于智能材料的发展,未来应研究发展多种适用于4D打印技术的智能材料。
    4D打印之所以能够通过介质触发,从而在特定的时间下进行自我变形、自我组装,除了材料本身与打印技术之外,另外一个关键就是软件的设计,也就是通过程序软件,将变形要素直接设计在打印材料中。简单却并不十分精确地理解,那就是3D是设计产品,4D是将打印机设计在模型中。所以,设计软件对于4D打印至关重要,这也是目前需要重点突破的一个环节。而如何实现专业化,让用户能进行“傻瓜”式的操作应用,则是4D打印技术的应用与普及,所要解决的一个重要问题。
    业内专家表示,尽管目前4D打印还只是处于概念阶段,并且能够支撑或者说具备时间认知能力的材料还很少,但科技的发展在出现苗头后总会以惊人的速度裂变。如果说3D打印改变的是制造业生态,那么4D打印改变的将是整个商业生态。可以肯定的是,随着4D打印智能材料的多样化,4D打印技术的应用将更加广泛,其未来发展前景将更加广阔。
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