三维打印, 博客

探索 4D 打印：用于自适应应用的变革性变形材料

1 月 27, 2025

探索智能材料随时间演变的 4D 打印创新世界。了解其在医疗保健、航空航天和建筑领域的应用，以及这项突破性技术所面临的挑战和未来潜力。

4D 打印：自适应产品的变形材料

这篇关于 4D 打印的文章首先介绍了导言本报告首先介绍了 "自适应 "技术的定义，并概述了该技术所支持的自适应产品。然后探讨了 4D 打印的出现详细介绍了其历史背景、主要先驱和最初的研究工作。讨论转向 智能材料的发展文章重点介绍了各种类型的聚合物，包括形状记忆聚合物 (SMP)、水凝胶、响应聚合物和生物启发材料。接下来，文章探讨了 4D 打印的应用 跨越多个部门。

在 医疗保健此外，该书还讨论了个性化植入物、假肢、组织工程和给药系统。本书建筑该部分涉及适应性结构、自我修复技术和气候控制创新。该部分包括 航空航天 该部分重点介绍了轻质设计和可部署结构。4D 打印物体背后的力学原理详见 4D 打印物体的力学其中包括可编程的变形机制、基本元素和变换，以及自适应结构，如可切换的刚度和可调整的泊松比。

"(《世界人权宣言》) 结论总结了 4D 打印的变革潜力，同时探讨了未来的前景和挑战。最后 常见问题 回答有关材料、生产物品、工作机制和当前挑战的常见问题。

4D 打印是一种相对较新的增材制造技术，它引入了物体形成的第四个维度，即时间。4D 打印源于智能材料在与以下材料整合时的能力 三维打印 创造出能够随时间改变形状或功能的结构和材料，以应对环境中的刺激。上述动态能力为设计和制造用途广泛、适应性强的产品提供了新的前景。因此，如今，4D 打印创新的潜力激励着研究人员研究新材料，并为不断变化的行业提供实际应用。

在微观尺度上，我们可以对行为进行编程，从而在宏观尺度上创造出可以根据程序改变形状的物体。这使得从生物医学设备、响应式建筑到可部署航天器等各种应用成为可能。本文探讨了推动 4D 打印技术发展的最新进展。文章探讨了能对各种触发因素做出复杂反应的新型智能材料。

报告还讨论了集成这些刺激响应材料的制造技术。报告还调查了 4D 打印在医疗保健、基础设施和航空航天等领域的应用。文章还回顾了 4D 打印物体背后的机理。总之，本文旨在阐明 4D 打印的变革性影响和未来潜力。

通过分析，我们可以深入了解随着时间的推移，全球对 4D 打印主题的兴趣。将 "4D 打印 "的搜索兴趣与谷歌数据库中的所有搜索进行比较，可以发现几个明显的趋势。从这一想法提出时起，人们的兴趣水平就在逐步上升，并在 2018 年 3 月和 2020 年 4 月再次飙升。这表明全球网民对这项技术的好奇心和认知度在不断提高。

按地区划分，搜索次数最多的国家包括美国、印度、加拿大、英国和韩国--显示出发达的高科技经济体的特别参与。澳大利亚、德国、南非和中国台湾也是搜索兴趣的主要来源。在分析相关搜索词时，"4D 打印应用 "和 "4D 打印智能材料 "是常见的搜索概念。这表明，人们不仅对这一工艺本身感兴趣，还对它如何实现新型材料和设备感兴趣。

教育机构在相关查询中占据突出位置，凸显了 4D 打印在研究和教授新一代制造技术中的作用。上述分析表明，尽管 4D 打印仍是一个新兴领域，但作为一种颠覆性技术，它在全球各行业和市场的应用正日益广泛。

4D 打印的出现

4D 打印技术源于 3D 打印技术只能生产静态物体的局限性。它通过使用智能材料，在一段时间内根据环境触发因素改变形状或功能，将时间维度纳入其中，从而推进了增材制造技术的发展。这种灵活性使打印结构能够形成 4D 制造所特有的新结构。因此，4D 打印的首批先驱之一被认为是斯凯拉-蒂比茨，他早在 2013 年的 TED 大会上就首次提到了这一新奇技术。

2014年，蒂比茨和他的团队撰写了首批关于4D打印的学术论文，并解释了如何利用SMP诱导3D打印对象的形状变化。SMP具有独特的能力，可以记忆临时形状，然后在受热时恢复原来的形状，从而实现精确的变形编程。蒂比茨展示了如何在三维打印中加入 SMP，从而制造出能够随时间主动改变形状的物体。继 Tibbits 的初步工作之后，世界各地的许多科学家和工程师开始探索 4D 打印的潜在用途和应用。

早期的研究侧重于开发可与增材制造技术相结合的合适智能材料。严谨的研究探索了 SMP 的刺激敏感行为、水凝胶对水分的敏感性以及 LCE 因温度、光和其他诱因而发生的特性变化。在常用的 4D 打印技术中，最常见的是材料挤压，例如 熔融沉积建模 材料喷射技术采用数字光处理技术，用紫外线将不同的聚合物或树脂固化成液态层。

研究人员还利用喷墨 分层 3D 打印 在同一结构中使用异质智能材料。通过精心挑选智能材料并将其与合适的打印方法相匹配，科学家们能够制造出在特定外部刺激下发生变化的自变形结构。

智能材料的发展

通过大量研究，用于 4D 打印的智能材料的开发取得了显著进展。尽管如此，SMP 仍是智能材料中最受欢迎的例子之一，当温度升高超过过渡温度时，SMP 可以记忆和复制临时形状，更广泛的研究集中于 SMP 的成分和打印参数，以提供更精确和恒定的形状变化。基于湿度变化的智能水凝胶因其生物相容性和穿透组织的趋势，也在许多出版物中得到了描述，使其适用于生物医学行业的组织模板和药物载体等应用。

对响应性聚合物的研究创造出了不仅能对热刺激做出反应，还能对 pH 值、光照或化学环境的变化做出反应的材料。这扩大了激活形状变化的可能触发因素。能够沿打印路径定向的液晶聚合物和弹性体为光机电诱导的形状变化提供了机会。事实证明，在需要精确、可逆运动的医疗设备和致动器中，镍钛诺等通过加热恢复的形状记忆合金非常有用。最近，有大量工作在模仿自然界中观察到的反应行为，探索生物启发。

像植物的向光性运动那样改变颜色的材料已经实现。科学家们还设计出了能在分子水平上实现转化的智能分子。随着材料合成技术的进步，现在可以将定制的功能分子融入可打印油墨和聚合物中。研究还改进了制造工艺，以无缝集成智能材料组合，实现多响应行为。这些创新不断扩大刺激驱动材料的范围，使 4D 打印对象成为可能。

4D 打印的应用

由于 4D 打印技术能够创造出动态的、自我变化的材料和结构，因此在各行各业都得到了广泛的应用。大量研究集中于利用其潜力，在医疗保健、建筑、航空航天、汽车和环境领域提供更好、更可持续的解决方案。

医疗保健

由于对个性化医疗解决方案的需求，医疗保健领域一直是 4D 打印研究的活跃领域。利用 4D 打印技术制作的植入物和假体现在可以精确地适应患者的解剖结构变化。研究人员制造的自膨胀支架能在微创手术中根据血管几何形状进行调整，以获得更好的贴合度和舒适度。动态假肢可根据人体运动改变形状，以恢复自然运动。组织工程学将 4D 生物打印技术应用于促进细胞生长的反应性支架。随着时间的推移，组织的机械性能会发生改变，从而使构造模拟生物物理线索。

药物输送系统采用基于水凝胶的 4D 打印技术，可根据治疗需要进行有计划、多阶段的药物释放。传感器监测可溶性因子，触发给药系统局部靶向病变区域。研究探索了用于组织再生的温度、光或化学梯度等多种刺激。科学家们制作了在生理条件下转化的软骨支架。试验性研究将心脏贴片植入体内，激活与心脏自然运动同步的曲率变化。科学家们还开发了神经植入物，以适应神经元冲动，实现受损信号路由。临床试验正在推进，以评估 4D 打印的可行性，从而改善治疗效果。

建筑

通过自适应、自组装结构，建筑业将大大受益于 4D 打印技术。研究人员通过检测损坏位置并可逆地改变几何形状，设计出能够自我修复的结构晶格。建筑构件通过卫生机械反应调节内部气候。预制模块通过机器人现场组装，缩短了施工进度。建筑师设想可重新配置外墙系统，每天优化开孔布局，实现自然通风。

通过可逆的热反应，季节变化可全年调节室内舒适度。自愈混凝土可在开裂后恢复完整性。基础设施专家将 4D 打印技术应用于桥梁，通过在地震后改变设计来重新分配应力负荷。模拟通过可重新编程的结构优化资源利用。各种标准不断进步，以认证建筑的耐久性、负载恢复能力和居住安全性。

航空航天

航空航天工程极大地推动了轻质、可持续车辆设计的 4D 打印创新。研究人员制造的飞机机翼可在飞行中自动改变外倾角，在不增加质量的情况下优化空气动力升力。为航天器重返大气层而制造的可膨胀隔热罩可在强烈的摩擦热中保护易碎部件。为发射而紧凑组装的可展开太阳能电池阵列在轨道上巨大地展开，以便在整个飞行任务中最大限度地发电。复合结构类似于植物血管，可根据循环需求改变血管传导性。

工业合作伙伴在实验飞机上开发变形控制表面，通过可逆变形对动态加载条件做出反应。模拟验证了通过扭矩变化实现自稳定的飞机设计。项目通过接触力对用于清除轨道碎片的可逆卫星阵列进行建模。研究人员验证了 4D 打印的优势，包括比固定设计减少 15% 阻力和减轻 20% 重量。标准制定组织合作认证自主系统的适航性，同时确保运行安全。

通过设计审查和失效分析，对适应性部件进行规范。在可持续、经济可行的任务范围内，不断取得的进展将增强响应型飞行器的能力，提高飞机/航天器的性能和有效载荷能力。

4D 打印物体的力学

所使用的智能材料的变形力学决定了 4D 打印对象的变形能力。了解了这些基本原理，就能指导计算建模，设计出可重复的形状变化。

可编程变形

当 FDM 或挤出工艺沉积聚乳酸长丝等热塑性塑料时，由于周围材料的物理限制，冷却会迅速使聚合物链沿着挤出路径定向。这种取向会产生变形行为。随后在玻璃化转变以上进行加热时，约束条件会被解除，从而引起沿冷却取向的各向异性收缩。

研究通过可控参数优化了这些效果。更薄的层和更低的挤出温度会导致取向升高和收缩。段长较短时，松弛最小，变化保持不变。较长的区段或重新加热会导致应力释放，从而改变程序。精确调节沉积会影响各向异性网络中编码的转化途径。

基本要素和变换

加入图案化的基本元素会产生复杂的变形。固化/未固化区域交替产生平面内弯曲。平面外弯曲产生于横向和平行方向的分层。连接件在变形过程中定义了稳定的中间形状。单元结构是形状变化的最小形式。单一线条在横向延伸的同时纵向收缩。波纹图案与线条组合成弧形。

组装周期性图案可改变全局曲率。研究基本组件可为参数化形状变换模拟、实验设计和实现目标变形的制造序列提供信息。表征收缩行为可指导成分调整以增强控制。应用非线性材料行为的计算建模可再现自我变形。通过实验测量与取向相关的收缩，提供模型输入。

迭代修改验证变换预测。了解微观尺度效应可跨长度尺度传递知识，有助于宏观结构设计。

自适应结构和材料

除基本组件外，4D 打印还将编程元素融入复杂的自适应设计中，展现出多功能行为。实验和建模验证了可重新配置的结构和材料的新颖特性。

可切换的刚度

在研究刚度变化时，研究人员利用由柔性连接件连接的基本铰链元件构建周期性顺应网格。计算分析模型显示，连接器内的非线性大变形弯曲主导了变形。实验证实了低于 1 N/mm 的高顺应性。加热时，收缩的连接器与刚性环接触。建模捕捉接触引起的刚度增加，捕捉多轴加载响应。通过拉伸/挤压和环形压缩，拉伸/压缩可使刚度增加 30-100 倍。

扭转通过连接器的扭转与环的旋转相对应，从而刺激了 100 倍的增长。模拟证实了实验趋势，但由于忽略了孔隙率而低估了实验结果。可定制设计通过改变连接器的尺寸/材料来确定刚度阈值。应用可将可逆开关集成到软机器人、可部署掩体和可改变灵敏度的传感器表皮中。接触动力学验证为优化稳定配置的设计提供了依据。多刚度能力扩展了功能。