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3D打印OUT了 4D打印玄味十足开启魔幻生活(图片

2019-07-22 10:54栏目:观点
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  您可轻轻闭上双眼试想一下,从家具卖场买回的沙发,可以根据您和家人的体型变换不同的尺寸;在咖啡吧使用的咖啡杯,可以根据咖啡的温度调整形状;从汽车4S店购买的汽车涂料,可通过改变自身结构适应潮湿的环境或撒过盐的道路

  俗话说得好,你永远跟不上科技的脚步。在我们刚开始接触3D打印并为之惊叹的时候,科学狂人们已经开始思考让4D打印改变世界。那么,究竟什么是4D打印?关键技术是什么?目前在中国发展4D打印还有哪些短板?它的应用前景怎样?下面就让我们访企业,问专家,一探究竟。

  4D打印炫在哪儿

  在美国洛杉矶今年初春举行的技术、娱乐、设计(TED)大会上,麻省理工学院的研究人员首次展示了新一代打印技术4D打印,顿时点亮了众人的目光。

  大会上,建筑师和电脑科学家斯凯勒蒂比茨解释说:我们提出将4D打印的第四维度定为时间,也就是说使得3D打印出的物体能够随着时间自动变化和调适。刚性材料形成一个架构,其他层则是弯曲和扭转该架构的力量来源。

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  4D打印与3D打印紧密相关。3D打印,就是CAD(计算机辅助设计)模型直接驱动的、可以完成任意复杂结构的制造方法的总称。它的核心是数字化、智能化制造与材料科学的结合,主要特点是数字驱动制造和增材制造。这就像盖房子,一层层往上垒砖砌墙,只不过用的不是方砖水泥,而是工程塑料、粉末、尼龙、光敏树脂甚至是金属、陶瓷等不同的材料。中国3D打印技术产业联盟首席顾问、清华大学教授颜永年如是说。

  蒂比茨进一步说明,与3D打印相比,4D打印如同增加了连线和发动机的机器人。所谓4D打印技术,就是在3D打印的基础上增加一个时间的纬度。所有物体都因时间而存在,物体形状改变也需要时间。

  具体而言,4D打印的逻辑,是通过3D打印已嵌入产品设计的可变形智能记忆性材料,在特定时间或物质激活条件下,无需人为干预,无需通电,便可按照事先的设计进行自我组装。由此可见,4D打印比3D打印多的一个D表现在时间纬度上,这种革命性新技术可以通过软件设定模型和时间,变形材料会在设定时间内快速自动组装。

  相对于3D打印明晰的内涵和外延,也有专家认为应该审慎对待4D打印的概念。3D打印的科学术语是增材制造,与传统的方法有本质的区别。不过,4D并没有一个完整的科学的定义。北京隆源自动成型系统有限公司总经理冯涛告诉记者,增材制造,是与传统制造业的减材制造对应的,这种技术依据物体的三维模型数据,通过成型设备以材料累加的方式,制成实物模型。他向记者坦言,所谓4D,就是加了一个时间轴,采用形状记忆材料等这类材料作为3D打印的材料,就可称为4D打印。所以,把4D打印作为一个技术分类,我认为是不准确的。

  关键是特殊打印材料

  没有争议的是,专家们认为,4D打印更为智能,制作材料可自行创造,简化了打印过程,但这既对打印材料提出了更高要求,又是其得以实现的关键。

  就在几个月前,麻省理工学院的研究人员曾展示一种自主记忆的材料。据了解,它由普通塑料和一种活性化学物质构成,当这种智能材料接触到一种其他物质,比如水时,它的延展性便会发生变化。在视频中,研究人员设计出了一个立方体,他们通过复杂的算法和设计,将自主记忆材料与其他材料混合,用3D打印机打印出一根管子,再将其放入热水中,它就会按设计自动弯曲成一个立方体。

  随着4D打印技术渐次传入我国,金属材料领域的人士指出,4D打印最关键的是记忆合金这种材料。

  中科院化学研究所研究员、新材料实验室主任宋延林告诉记者,所谓形状记忆合金,是一种在加热升温后能完全消除其在较低的温度下发生的变形,恢复其变形前原始形状的合金材料。宋延林指出,形状记忆合金是在特定外部条件下回归原来的形状,此前,物体已经被设定完成。

  实现4D打印的关键在于运用带有记忆功能的材料,深圳光华伟业实业有限公司董事长杨义浒告诉记者,目前我们正与合作伙伴共同开发带有记忆功能的生物心脏支架。在杨义浒看来,传统的心脏支架通常由记忆金属制成,在通过血管被置入设定的位置后,自动撑开承担扩张血管通道的使命。他坦言,金属支架的问题在于无法降解。换句话说,除非人为将支架取出,它将永远留在体内,由此带来的并发症和因长久停留对人体造成的不利影响可以想象。

  生物心脏支架的最大优势,在于生物材料的生物相容性、可降解性和材料自身的记忆功能,而我们要做的是对材料精确控制,使之在一定的外部条件(比如温度、压力)下,恢复预设的形态。杨义浒进一步解释,以医学生物心脏支架为例,当支架在身体外部时,它可能看起来是一个实心细条,而进入身体后在体温的刺激下,就变成了可以撑开的空心支架。一段时间以后,当涂抹了药物的支架完成扩张和疏通血管的使命后,便在血液中自动降解。我们还可以通过不同种类生物材料的复合,来控制生物介入物的降解速度,杨义浒认为,它们是很好的临时性人体植入材料。

  发展4D打印短板在哪

  也有专家认为4D打印材料还应该超出记忆功能材料的范畴。在蒂比茨看来,4D打印技术离不开合适的智能材料。这种智能材料应该是一种能感知外部刺激,能够判断并进行适当处理的新型功能材料,具有传感功能、反馈功能、信息识别与积累功能、响应功能、自我诊断能力、自我修复能力和超强适应能力。目前4D打印技术使用的材料只能感应水的刺激,但希望将来能找到可以感受光、声、热甚至时间的新型智能材料。

  3D技术方兴未艾,4D技术渐行渐近。不过,这项技术即便在大洋彼岸的美国也仅仅处于实验室阶段。记者采访的多位专家和企业负责人均表示,目前在中国发展4D打印,还存在诸多短板和需要加强的环节。

  在冯涛看来,目前4D打印技术有两个短板,一是打印机的规模太小。如果想打印大型工程用件,必须使用大型材料,要有高精度且可靠性较高的打印机,但目前来看,这种打印机的造价太高。另一个就是人才储备的瓶颈。冯涛向记者坦言:中国目前从事3D技术的主要研究人员还不到100人,具备4D打印技能的人员,就更少了。

  颜永年坦言,加工工艺、材料设计、装备制造等技术水平都是制约4D打印技术发展的主要障碍。尤其是这种智能材料产量并不大,价格也非常高,制约了4D打印向规模化发展。颜永年感慨。

  宋延林告诉记者,4D打印的市场需求,目前并没有那么大,这是制约其发展的又一短板。不过,宋延林认为:4D打印技术尚无法取代传统制造技术,但是在小批量、个性化的生产模式上具有独特的优势。

  潜在应用与未来前景

  随着科技水平的迅猛发展,也许要不了多久,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;汽车也可能真的像变形金刚那样变成飞船

  谈到4D打印的潜在应用,蒂比茨透露,麻省理工学院自组装实验室正在与波士顿一家公司开展合作,开发创新基础设施管路制造方案。他说:这种新型地下水管,可以自由地膨胀或收缩,以此来控制过水的流量和流速,或者还可以像蛇那样通过自身的蠕动来挤压,推动内部的水体流动。水管能够适应不同的容量或水流而自动进行扩张,免去挖掘的麻烦。而具有这种不可思议功能的管路并不昂贵,也不需要那些复杂的阀门控制系统,这就是该管路本身所具备的性质。

  有人甚至预测,4D打印技术将使得房屋建筑真的可以自动长出屋顶、承重墙。传统建筑过程一般是先设计出图纸和模型,再按设计施工建造,甚至还要一边搭建一边调整模拟的设计效果。不过,在4D打印的时代,产品将变得更加智能化和人性化,危险地区的工程将不再需要人的参与,桥梁、水坝、公路、房屋一切都将按照设计自行建造。人们只需坐在电脑旁,根据自己的想法和需要,设计出适合自己的产品,然后轻点一下打印便大功告成。

  宋延林认为,房屋建筑自动长出屋顶、承重墙以及下水管道按流量自动伸缩都可以实现。事实上,4D打印的核心材料形状记忆合金早已应用于工业和医学领域。比如,用形状记忆合金制作月面天线;作为牙科的齿形矫正器,温度上的调剂使其自动变成正常形状,以便将畸形牙齿矫正。宋延林表示,一些人对4D概念的认识有一定的偏差,4D打印的效果并不是由时间决定的,它的特殊功能是由外部环境条件的变化而变化的。

  4D打印赋予物品自我变形的性能,可以实现让物体在人们难以接触到的地方实现特定结构和功能。但目前已经报道的4D打印技术,第四维度的特性是通过外场响应的智能材料实现的,还难于实现较为复杂的结构与物品的制备。宋延林告诉记者,在未来较长的一段时间内,4D打印可能主要还停留在试验研究阶段,真正的应用有待相关材料、特别是纳米材料的突破和规模应用。

  颜永年表示,4D打印技术仍停留在实验室等研发阶段,目前尚不具备大规模应用的可能,4D打印概念依然很飘渺。不过,他对4D打印技术在我国尖端导弹武器以及月球车等军事、航天领域的发展前景颇为乐观。这种可以自动组装和变化的4D打印技术,可以更好地避免敌方的侦查。

  炫味儿十足的4D打印听起来让人们觉得不可思议。事实上,3D打印机从构想到广泛应用于生产、生活,只用了20年时间。在科技高速发展的今天,可以想象,4D打印走进人们的生活,应该就在不远的将来。