淺談3D打印與4D打印技術

康劉陽，徐飛寧，朱燦一，黨磊磊

（長安大學道路施工技術與裝備教育部重點實驗室，陜西西安710064）

專論綜述

淺談3D打印與4D打印技術

康劉陽，徐飛寧，朱燦一，黨磊磊

（長安大學道路施工技術與裝備教育部重點實驗室，陜西西安710064）

3D打印技術與4D打印技術已經成為新興技術的代表，引領著先進制造業不斷發展。分別對3D打印的定義和加工流程、技術類型、應用以及4D打印的定義、材料、應用進行較全面的介紹。事實表明，3D打印與4D打印技術具有其它加工技術無法比擬的優點，本文對其發展前景指明了方向。

3D打?。?D打??；應用

作為第三次工業革命縮影的3D打印技術，屬于快速成型技術的一種。從上世紀80年代問世以來，在諸多領域取得了突破性進展。而4D打印技術在3D打印的技術上應運而生，使材料自我組裝，自我變形成為可能。無論3D打印還是4D打印，都將給未來社會帶來顛覆性的改變。

1　3D打印技術

1.13D打印技術的定義和加工流程

3D打印（3DP）是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。利用3D打印技術制造一件產品，通常需要三個步驟，分別是：三維建模、分層切片、疊加打?。?］。

（1）三維建模。3D打印首先要做的就是利用測量儀、掃描儀等工具或借助Pro/E、UG、Solidworks、3DMAX等軟件，將目標產品生產三維模型。

（2）分層切片。三維模型生成之后，就要用專門的分層軟件對模型進行分層切片處理，最后保存為STL格式文件。由于切片厚度越薄，打印產品越精細，同時所花費的打印時間也越長，所以應根據目標產品的實際情況選擇合適的切片厚度。

（3）疊加打印。這個過程是3D打印過程中進行加工制造的過程。在該過程中，3D打印機識別上一步分層處理后的STL文件信息，將粉末、絲狀等不同類型的材料經過粘結、熔結等不同方式凝固后層層累積，最終形成目標產品。

1.23D打印的技術類型

常見的3D打印技術類型通常包括：熔融沉積技術（FDM）、光固成型技術（SLA）、三維粉末粘結（3DP）等技術。

（1）熔融沉積技術（FDM）技術的主要原理是：將絲狀材料加熱融化后，通過3D打印機噴頭噴出，沉積在前層已經固化的材料上。該技術優點是：結構簡單、制造、加工成本較低、應用范圍最廣。

（2）光固成型技術（SLA）技術的主要原理是：采用激光或其他光源照射熱敏性材料，逐層固化。該技術優點是：可制造機構復雜的零件、加工精度高。

（3）三維粉末粘結（3DP）技術的主要原理是：在工作平面上鋪一層粉末材料，利用噴嘴噴出粘合劑是粉末材料粘結在一起，層層反復。該技術優點是：可加工材料廣泛、產品種類繁多。

2　3D打印技術的應用

2.1航空制造業

3D打印應用于航空制造業中，由于運用3D打印技術生產零部件時可直接成型，所以能過簡化生產環節、縮短生產周期、加速航空制造業更新換代的速度。

2.2機械制造業

3D打印機能夠將復雜的零件一次性打印出來，由此可提高零部件的穩定性、可靠性以及集成度。這樣不僅簡化了加工工藝，擺脫了對加工設備的束縛，而且使設計加工更為復雜的零部件成為可能。

2.3汽車制造業

隨著世界上第一輛純3D打印的混合動力車——Urbee以及世界上第一輛3D打印賽車——Arion的問世，3D打印技術在汽車制造業越來越占據著舉足輕重的地位。3D打印技術除了能大大提高生產效率以外，還能使汽車的發動機性能、外觀造型、內飾設計等方面產生質的飛躍。

2.4建筑施工

3D打印技術應用于建筑施工，不僅可以在不到一天的時間里打印出一套房子，而且很難用人力制造的獨特外觀，可由3D打印機輕松完成。3D打印使用的是由砂漿、玻璃纖維等組合而成的可粘合材料。這種復合材料相比水泥而言，其強度、韌度都有所提升。

2.5醫學領域

用細胞打印人體器官、定制個性化醫療器械、設計更為精準的治療方案、制作體外醫學模型等，3D打印技術不斷推動著現代醫學的發展［2］。

2.6家居生活

3D打印技術應用于服裝設計行業，能夠簡化剪裁工藝，突破傳統剪裁方法，實現服裝設計“個性化”；應用于食品加工行業，可使食物加工更為快捷，食品保質期延長，食品原材料更為多樣化。毫無疑問，3D打印技術在各個領域如火如荼地發展著，但是，更為智能的4D打印已嶄露頭角。

3　4D打印技術

3.14D打印的概念

何為4D打??？麻省理工學院（MIT）的研究員斯凱勒·帝比茨通過一個實驗，向我們展示了這種新一代打印技術。

在演示中，他將一段繩狀物放入水中，該物體能自動折成MIT字樣的立體結構。4D打印就是在3D打印的基礎上增加了時間維度T，是可編程材料實現自我構建和重組裝的技術。正如斯凱勒·帝比茨所言：“4D打印技術就是把智慧植入到材料中去”。

3.24D打印材料

4D打印技術的關鍵是智能材料。智能材料結構又稱機敏結構，在外界環境的刺激下，如水、光、電磁場等，智能材料結構可將傳感、控制和驅動三種功能集于一身，能夠完成相應的反應［3］。目前國內外研究比較成熟的智能材料有EPA（電活性聚合物材料）、SMM（形狀記憶材料）等。

3.34D打印的應用

在航空航天領域，使用4D打印技術制造的飛機，不再懼怕炮彈的襲擊，因為受損傷的部件可自動延展生成新的部件；衛星發射不用耗費大量燃料將龐大設備送入太空，只需要將打印好的材料送入太空即可，到達預定軌道后自動組裝成衛星。

在機械制造領域，只需用4D打印機打印好材料，在需要的時候自動組裝成所需要的機器，這樣不僅緩解了運輸壓力而且能夠省去人工裝配的時間與費用。

在家居生活方面，斷裂后自動修復的水管、根據自己體型變換尺寸的沙發、依據溫度變化自動調整布料厚薄的衣服等等，4D打印技術能為生活增添諸多便利。

在醫學領域，4D打印材料能夠隨著血液流動，準確到達心臟預定部位，自動形成心臟支架；還可以打印出某種膠囊，遇到癌細胞就能觸發形變，實現點對點藥物釋放，從而將癌細胞消滅，毫無疑問，4D打印技術引領著新一輪的醫學革命。

4　結束語

3D打印技術已蓬勃發展20多年，而4D打印技術目前只處于概念階段。在3D、4D打印這個高科技領域，中國獲得了一個千載難逢的機會：一個可以與歐美國家平等競爭，同臺亮相的機會。我國的科技工作者們要把握機會，克服困難，使科技強國的中國夢得以實現。

［1］朱艷青，史繼富，王雷雷，等.3D打印技術發展現狀［J］.制造技術機床，2015，（12）:50-57.

［2］王慶大，李波.3D打印技術在醫學領域的應用研究進展［J］.重慶醫學，2016，45（1）:126-128.

［3］奚利飛，鄭俊萍，姚康德.智能材料的研究現狀及展望［J］.材料導報，2003，（1）:235-237.

Discussion on 3D Printing and 4D Printing Technology

KANG Liu-yang，XU Fei-ning，ZHU Can-yi，DANG Lei-lei
（Key Laboratory of Road Construction Technology and Equipment of the Ministry of Education，Chang'an University，Xi'an Shaanxi710064，China）

3D printing technology and 4D printing technology have become the representative of emerging technologies，which lead the development of advanced manufacturing industry.This paper conducts a comprehensive introduction about the definition，processing process，technology type，materials and applications of 3D printing and the definition，materials and applications of 4D printing.Facts show that 3D printing and 4D printing technology has the advantages which other processing technology can notmatch，this paper points out the direction of its development.

3D printing；4D printing；applications

TP3

B

1672-545X（2016）05-0101-02

2016-02-20

康劉陽（1991-），男，河南禹州人，在讀碩士，主要從事機械制造及其自動化研究。