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4D，一片全新的天地

2017-4-6 來源：數(shù)控機(jī)床市場(chǎng) 作者：吳玖

開篇之前，請(qǐng)諸位同筆者一起，將手放在胸膛，感受那里澎湃的力量——是生命的源泉。

每一個(gè)生命體，都是大自然的杰作。內(nèi)在的基因，加上外在的環(huán)境，在刺激與應(yīng)激的循環(huán)里，造就了如今的我們。未來，我們將一直處于變化之中。而這種變化，恰是處于時(shí)間的維度之上的。

2013年2月26日，在美國(guó)加州長(zhǎng)灘舉行的TED2013大會(huì)上，麻省理工學(xué)院（MIT）建筑部講師斯凱拉•蒂比茨（SkylarTibbits）將一種新穎的材料組合用于3D打印機(jī)，制造出了一種線狀物體，該物體被放入水中時(shí)，能改變形狀組成字母“MIT”。通過這一實(shí)驗(yàn)，提出了4D打印的概念。而后，2014年10月8日，美國(guó)《外交》雙月刊發(fā)表了一篇名為《準(zhǔn)備迎接4D打印革命》的文章，讓4D打印技術(shù)概念風(fēng)靡全球。

而所謂的4D打印，相比目前方興未艾的3D打印技術(shù)多了一個(gè)時(shí)間維度，通過軟件設(shè)定模型和時(shí)間，變形材料會(huì)在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)變形為所需的形狀。

4D 打印直接將設(shè)計(jì)內(nèi)置到物料當(dāng)中，簡(jiǎn)化了從“設(shè)計(jì)理念”到“實(shí)物”的造物過程。讓物體如機(jī)器般“自動(dòng)”創(chuàng)造，不需要連接任何復(fù)雜的機(jī)電設(shè)備，能夠創(chuàng)造出有智慧、有適應(yīng)能力的新事物。

聽上去是不是很熟悉？

從這種意義上來講，我們每個(gè)人都是大自然進(jìn)行4D打印的產(chǎn)物。未來，制造出與人類完全相同的機(jī)器人是極為有可能的。

至于4D打印的流程大致上是這樣的：

第一步是對(duì)材料進(jìn)行編程，預(yù)設(shè)其對(duì)某些刺激因素所做出的反應(yīng)。

第二步是把這樣的材料用3D打印機(jī)打印出來。

通俗上說，多了一個(gè)維度，就相當(dāng)于為目標(biāo)產(chǎn)品內(nèi)嵌了一個(gè)自我激活的3D打印機(jī)，可以根據(jù)外部刺激進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)整與再創(chuàng)造。

4D打印的發(fā)展前景是誘人的。

這項(xiàng)技術(shù)的始作俑者美國(guó)馬薩諸塞州技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)室總監(jiān)Skylar Tibbits表示，4D打印可以生產(chǎn)智能產(chǎn)品，它可以自動(dòng)適應(yīng)外部變化，進(jìn)行自我修復(fù)。

比如說，管道可以設(shè)計(jì)成能夠根據(jù)水流量進(jìn)行膨脹或收縮的，或者在破裂時(shí)自我修復(fù)。此外，我們可以通過4D打印液態(tài)的支架，然后通過血液循環(huán)系統(tǒng)，將其注射入攜帶設(shè)計(jì)方案的智能材料，等其到達(dá)心臟指定部位后，再通過自我組裝成心臟支架。還有在軍事上，美陸軍首席技術(shù)官格雷絲·博赫內(nèi)克有一個(gè)設(shè)想，防彈衣未來可能會(huì)采用4D打印技術(shù)。科學(xué)家未來可能開發(fā)出輕薄小巧的防彈衣，便于儲(chǔ)存和攜帶，但也可以伸展開并提供全面的防護(hù)。用4D打印制造的目標(biāo)產(chǎn)品的自適應(yīng)或自修復(fù)技術(shù)也能在災(zāi)難救援或太空環(huán)境等惡劣環(huán)境中派上用場(chǎng)。甚至當(dāng)此項(xiàng)技術(shù)在全社會(huì)范圍內(nèi)普及開來的時(shí)候，每個(gè)人都可以是設(shè)計(jì)者與制造者。到時(shí)，我們的自主性會(huì)大大提高。

具體到機(jī)床行業(yè)，當(dāng)前看來，大到一部機(jī)床的操作臺(tái)，小到擰緊連接部位的螺絲釘，無不受著加工過程中的各種因素的影響（負(fù)載，溫度等等），我們要進(jìn)行調(diào)整，唯有裝上許多與之配套的數(shù)控系統(tǒng)，這樣無疑會(huì)增加一部機(jī)床的造價(jià)，從而增加加工生產(chǎn)成本。可如果這些機(jī)床部件是通過4D打印的呢？那么它們便可以隨時(shí)應(yīng)激，隨時(shí)反應(yīng)，使我們的機(jī)床總是處于一種最佳加工狀態(tài)。

我們甚至可以進(jìn)一步的暢想，如果整部機(jī)床都是有4D打印技術(shù)（當(dāng)然是在克服了剛度，強(qiáng)度等等一系列難題的情況下。）打印出來的呢？這樣一來，機(jī)床成為了一個(gè)完整的整體，因各部件連接所造成的的不良影響也可以消除。到那時(shí)，我們的機(jī)床才能實(shí)現(xiàn)真正的自動(dòng)化和智能化。

目前，工業(yè)4.0，智慧制造，人工智能等等口號(hào)鋪天蓋地，而要真正的進(jìn)入智能化的時(shí)代，筆者敢斷言，4D打印（或與之類似的技術(shù)）是繞不開的。

唯有在無人踩踏的路上才能留下腳印，面對(duì)著4D這樣一個(gè)全新的領(lǐng)域，對(duì)于處在飛速發(fā)展階段的我們，難道不是一次彎道超車的難得機(jī)遇嗎？

那么，發(fā)展的關(guān)鍵發(fā)力點(diǎn)在哪里呢？

要分析這個(gè)問題，必須要做的是明確當(dāng)前4D打印技術(shù)的發(fā)展瓶頸在哪里。

結(jié)合之前筆者提到的4D打印的過程，其限制因素也就蘊(yùn)含其中。

第一，是打印材料的選取

4D打印的材料應(yīng)當(dāng)具備可編程模擬特性，照Tibbits的話說就是：讓物體如機(jī)器般自動(dòng)制造，而不是先設(shè)定好物體然后再制造。還有就是變形后的穩(wěn)定性，也就是應(yīng)激變形后如何維持這種形狀以及與之伴隨的性能。

第二，是尋找合適的方法來控制刺激因素

當(dāng)前實(shí)驗(yàn)的4D打印技術(shù)所使用的材料只能夠?qū)λ龀鰬?yīng)激反應(yīng)。這恰恰是一個(gè)亟待克服的難題。因?yàn)椋?D打印成品一旦應(yīng)用到實(shí)際之中，刺激因素的來源將有很多，光，電，力，熱，磁等等等等。如何對(duì)這些因素進(jìn)行精準(zhǔn)的反應(yīng)，以及預(yù)設(shè)變形，是編程技術(shù)上的難題。

以上兩點(diǎn)事4D概念上的難題，既然其是建立在3D打印的基礎(chǔ)上的，這就自然而然的引出了最后的限制因素——就是3D打印技術(shù)本身現(xiàn)存的限制因素了。

目前進(jìn)行3D打印的材料和時(shí)間成本的消耗，還有就是針對(duì)于動(dòng)態(tài)物體的打印的機(jī)器限制。筆者在大學(xué)進(jìn)行課程設(shè)計(jì)期間，僅僅是簡(jiǎn)單一個(gè)車架模型的打印（尺寸很小），就要耗費(fèi)普通人難以承受的時(shí)間金錢成本。如何使3D打印技術(shù)日臻成熟，是我們現(xiàn)階段首要解決的問題。應(yīng)當(dāng)與4D打印概念的完善同時(shí)甚至要優(yōu)先進(jìn)行，切不可舍本逐末，好高騖遠(yuǎn)。

提出了問題，就是為了解決問題。未來總是光明的。

腳踏實(shí)地，才能仰望星空，做好當(dāng)前的科學(xué)研發(fā)工作，努力自主攻堅(jiān)克難，期待著我國(guó)相關(guān)從業(yè)者有朝一日可以在如此前沿的領(lǐng)域綻放光彩。

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