浅谈3D打印与4D打印技术

康刘阳，徐飞宁，朱灿一，党磊磊

（长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西西安710064）

专论综述

浅谈3D打印与4D打印技术

康刘阳，徐飞宁，朱灿一，党磊磊

（长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西西安710064）

3D打印技术与4D打印技术已经成为新兴技术的代表，引领着先进制造业不断发展。分别对3D打印的定义和加工流程、技术类型、应用以及4D打印的定义、材料、应用进行较全面的介绍。事实表明，3D打印与4D打印技术具有其它加工技术无法比拟的优点，本文对其发展前景指明了方向。

3D打印；4D打印；应用

作为第三次工业革命缩影的3D打印技术，属于快速成型技术的一种。从上世纪80年代问世以来，在诸多领域取得了突破性进展。而4D打印技术在3D打印的技术上应运而生，使材料自我组装，自我变形成为可能。无论3D打印还是4D打印，都将给未来社会带来颠覆性的改变。

1　3D打印技术

1.13D打印技术的定义和加工流程

3D打印（3DP）是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。利用3D打印技术制造一件产品，通常需要三个步骤，分别是：三维建模、分层切片、叠加打印［1］。

（1）三维建模。3D打印首先要做的就是利用测量仪、扫描仪等工具或借助Pro/E、UG、Solidworks、3DMAX等软件，将目标产品生产三维模型。

（2）分层切片。三维模型生成之后，就要用专门的分层软件对模型进行分层切片处理，最后保存为STL格式文件。由于切片厚度越薄，打印产品越精细，同时所花费的打印时间也越长，所以应根据目标产品的实际情况选择合适的切片厚度。

（3）叠加打印。这个过程是3D打印过程中进行加工制造的过程。在该过程中，3D打印机识别上一步分层处理后的STL文件信息，将粉末、丝状等不同类型的材料经过粘结、熔结等不同方式凝固后层层累积，最终形成目标产品。

1.23D打印的技术类型

常见的3D打印技术类型通常包括：熔融沉积技术（FDM）、光固成型技术（SLA）、三维粉末粘结（3DP）等技术。

（1）熔融沉积技术（FDM）技术的主要原理是：将丝状材料加热融化后，通过3D打印机喷头喷出，沉积在前层已经固化的材料上。该技术优点是：结构简单、制造、加工成本较低、应用范围最广。

（2）光固成型技术（SLA）技术的主要原理是：采用激光或其他光源照射热敏性材料，逐层固化。该技术优点是：可制造机构复杂的零件、加工精度高。

（3）三维粉末粘结（3DP）技术的主要原理是：在工作平面上铺一层粉末材料，利用喷嘴喷出粘合剂是粉末材料粘结在一起，层层反复。该技术优点是：可加工材料广泛、产品种类繁多。

2　3D打印技术的应用

2.1航空制造业

3D打印应用于航空制造业中，由于运用3D打印技术生产零部件时可直接成型，所以能过简化生产环节、缩短生产周期、加速航空制造业更新换代的速度。

2.2机械制造业

3D打印机能够将复杂的零件一次性打印出来，由此可提高零部件的稳定性、可靠性以及集成度。这样不仅简化了加工工艺，摆脱了对加工设备的束缚，而且使设计加工更为复杂的零部件成为可能。

2.3汽车制造业

随着世界上第一辆纯3D打印的混合动力车——Urbee以及世界上第一辆3D打印赛车——Arion的问世，3D打印技术在汽车制造业越来越占据着举足轻重的地位。3D打印技术除了能大大提高生产效率以外，还能使汽车的发动机性能、外观造型、内饰设计等方面产生质的飞跃。

2.4建筑施工

3D打印技术应用于建筑施工，不仅可以在不到一天的时间里打印出一套房子，而且很难用人力制造的独特外观，可由3D打印机轻松完成。3D打印使用的是由砂浆、玻璃纤维等组合而成的可粘合材料。这种复合材料相比水泥而言，其强度、韧度都有所提升。

2.5医学领域

用细胞打印人体器官、定制个性化医疗器械、设计更为精准的治疗方案、制作体外医学模型等，3D打印技术不断推动着现代医学的发展［2］。

2.6家居生活

3D打印技术应用于服装设计行业，能够简化剪裁工艺，突破传统剪裁方法，实现服装设计“个性化”；应用于食品加工行业，可使食物加工更为快捷，食品保质期延长，食品原材料更为多样化。毫无疑问，3D打印技术在各个领域如火如荼地发展着，但是，更为智能的4D打印已崭露头角。

3　4D打印技术

3.14D打印的概念

何为4D打印？麻省理工学院（MIT）的研究员斯凯勒·帝比茨通过一个实验，向我们展示了这种新一代打印技术。

在演示中，他将一段绳状物放入水中，该物体能自动折成MIT字样的立体结构。4D打印就是在3D打印的基础上增加了时间维度T，是可编程材料实现自我构建和重组装的技术。正如斯凯勒·帝比茨所言：“4D打印技术就是把智慧植入到材料中去”。

3.24D打印材料

4D打印技术的关键是智能材料。智能材料结构又称机敏结构，在外界环境的刺激下，如水、光、电磁场等，智能材料结构可将传感、控制和驱动三种功能集于一身，能够完成相应的反应［3］。目前国内外研究比较成熟的智能材料有EPA（电活性聚合物材料）、SMM（形状记忆材料）等。

3.34D打印的应用

在航空航天领域，使用4D打印技术制造的飞机，不再惧怕炮弹的袭击，因为受损伤的部件可自动延展生成新的部件；卫星发射不用耗费大量燃料将庞大设备送入太空，只需要将打印好的材料送入太空即可，到达预定轨道后自动组装成卫星。

在机械制造领域，只需用4D打印机打印好材料，在需要的时候自动组装成所需要的机器，这样不仅缓解了运输压力而且能够省去人工装配的时间与费用。

在家居生活方面，断裂后自动修复的水管、根据自己体型变换尺寸的沙发、依据温度变化自动调整布料厚薄的衣服等等，4D打印技术能为生活增添诸多便利。

在医学领域，4D打印材料能够随着血液流动，准确到达心脏预定部位，自动形成心脏支架；还可以打印出某种胶囊，遇到癌细胞就能触发形变，实现点对点药物释放，从而将癌细胞消灭，毫无疑问，4D打印技术引领着新一轮的医学革命。

4　结束语

3D打印技术已蓬勃发展20多年，而4D打印技术目前只处于概念阶段。在3D、4D打印这个高科技领域，中国获得了一个千载难逢的机会：一个可以与欧美国家平等竞争，同台亮相的机会。我国的科技工作者们要把握机会，克服困难，使科技强国的中国梦得以实现。

［1］朱艳青，史继富，王雷雷，等.3D打印技术发展现状［J］.制造技术机床，2015，（12）:50-57.

［2］王庆大，李波.3D打印技术在医学领域的应用研究进展［J］.重庆医学，2016，45（1）:126-128.

［3］奚利飞，郑俊萍，姚康德.智能材料的研究现状及展望［J］.材料导报，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

康刘阳（1991-），男，河南禹州人，在读硕士，主要从事机械制造及其自动化研究。