4D 打印技术在皮革制品设计上的运用研究

王海涛，谢辉

（1.深圳技术大学，广东 深圳 518118；2.广州城市理工学院，广东 广州 510800）

引言

进入21 世纪以来，消费者对产品需求的转变和日益激烈的市场竞争不断推动皮革产业发展，皮革产品的艺术性内涵和个性化表达显得越来越重要，科技赋能成为提高皮革产品市场竞争力的有力推手。及时运用科学、创新的设计方法是保证快速开发皮革产品适应市场多变需求的重要举措[1]。4D 打印技术概念的出现明确了皮革产品设计创新方向，通过4D 打印技术可以构建更加新颖和复杂的产品形态结构，大大拓展了设计师的创作自由度[2-3]。4D 打印为实现皮革制品更为丰富和复杂的设计创想提供技术支持，赋予皮革产品科技与艺术交叉融合的创新魅力。

1 4D 打印技术概述

1.1 4D 打印技术的定义

4D 打印技术（4D Printing）的概念，最早由麻省理工学院斯凯拉·蒂比茨（Skylar Tibbits）教授及其团队在2013 年4 月洛杉矶举行的Technology Entertainment Design（TED）大会上正式提出。他们展示了3D 打印的复合材料浸入水中发生自动变形的过程，斯凯拉·蒂比茨教授强调：“打印过程并不新，关键是打印出来后发生的变化”，这就是4D 打印最初的定义，即“3D+时间”，比3D 打印多了一个发生变化的时间维度。该概念一经提出，瞬间引起了众多研究者的广泛关注。后来随着科学研究的不断深入，在智能材料的加持下4D 打印实现了产品功能打印，打印的产品可在不同激励条件下实现目标形态的演变，逐渐形成了如今较为成熟的“智能材料”+“智能结构”+“3D 打印”理论体系[4-5]。

1.2 4D 打印与3D 打印技术特征

3D 打印是以数字模型为基础，利用可黏合材料逐层打印的方式来构造产品的技术[6]。3D 打印的快速发展催生了4D 打印概念，与3D 打印相同，4D 打印是一种集材料科学、机械科学以及计算机科学等诸多学科高度交叉融合的先进制造技术。与3D 打印不同，4D 打印是一种具备动态演变能力的智能制造技术，是在3D 打印基础上结合智能材料与智能结构设计，针对制造产品的形态、性能和功能方面的进一步发展。从技术路线与成型工艺角度来看，3D 打印与4D 打印的区别在于，4D 打印的模型能够在不同激励因素（如水、光、热、磁场等）的刺激下，随着时间实现三维物体形状、性质和功能的变化（如图1 所示）。4D 打印的先进性在于可以快速成型制造出具有环境自适应性动态演变的智能产品，从而区别于传统3D 打印产品的功能单一、无变化的稳态特性[7-8]。4D 打印产品所具有的应激自响应特性极具发展潜力，在未来智能装备制造、产品设计等诸多领域都有着广阔的应用前景。

图1 4D 打印与3D 打印的区别[4]Fig.1 Difference between 4D printing and 3D printing[4]

1.3 4D 打印的智能材料

4D 打印的成型设备和制造工艺与3D 打印基本相同。4D 打印是以传统增材制造技术为基础，依据智能材料的环境应激特性设计，从而实现“动态”产品的制造。可以说，智能材料的研发促进了4D 打印的发展。近年来相关专家学者针对不同智能材料和激励条件下的4D 打印技术进行了研究。从材料的响应激励条件可分为水响应、光响应、磁响应以及热响应等。

（1）水响应材料

在4D 打印材料中具有形状记忆特性的凝胶被称为形状记忆水凝胶（SMH）。水凝胶是一种亲水性材料，与水分充分响应后可膨胀至原体积的数倍,是当今4D 打印中智能材料研究的热点之一。Shiblee等[9]利用4D 打印技术与形状记忆凝胶（SMG）的智能效应，设计出了动作灵活驱动装置，实现了仿生驱动。Joyce 等[10]采用水凝胶制备了一种可在不同水介质温度下实现自我折叠的关节微夹持器。Wang等[11]选择对湿度十分敏感的微生物为材料，通过4D打印制作了一款运动透气速干衣，如图2 所示，该速干衣在人体在运动过程中产生汗液时，可实现透气孔自动张开，便于透气散热；当运动后恢复平静时，可实现自动闭合。此类亲水性材料应用在产品设计领域将丰富产品的款式造型，变化出多种造型，在生活中有着广阔的发展空间和无尽的创意。

图2 水响应材料速干衣[11]Fig.2 Quick -drying clothes prepared by water -responsive material[11]

（2）光响应材料

光响应材料含有吸收光能的分子或官能团，在吸收一定量的光能后，其分子会产生特定的物理或化学变化[12-13]，如发生颜色、形状、折射率改变等。相关学者从4D 打印角度对光响应材料进行了深入的研究。章知博等[14]合成了一种具有典型的聚集诱导发光性质的新型光响应荧光分子材料，并通过试验证明了该材料具有典型的光物理性能。Yang 等[15]结合形状记忆聚合物与光响应复合材料，通过4D 打印技术制造了一种在光照射下可从临时形状恢复到原始形状的光响应形状记忆装置。近年来，光响应材料因其在特定的光照下会发生颜色的变化，在服饰面料、工业材料等生活领域的应用不断增多，极大地满足了人们追求个性化、时尚和乐趣的心理需求。

（3）磁响应材料

磁响应材料可在外界磁场的刺激下做出响应，是一种由纳米颗粒或磁性粒子组成的智能高分子材料[16]。因其具有响应速率快和灵敏度高等优点受到了研究者的广泛关注。Kokkinis 等[17]采用氧化铁颗粒和水凝胶材料结合打印了微夹持器，实现了该夹持器活动在磁场环境中的远程控制。Larissa 等[21]利用磁响应材料制备得到多功能驱动器，能实现单一磁场控制多个单元结构，优化了系统的复杂性。可预见，未来磁响应材料在4D 打印智能设备等领域有良好应用前景。

（4）热响应材料

热响应材料是指随外部环境温度变化，具有改变自身物理特性的材料，是当今研究较为广泛的材料之一。Ying 等[18]采用4D 打印技术制备得到几何球体, 在温度的刺激下该几何体的复杂结构能在平面与立体之间自由转换。Bakarich 等[19]将基于SMP材料4D 打印制作的自动温控开关运用在水族箱上，实现了闸门可依据水温自动打开和闭合，满足了水族箱的恒温需求。Zarek 等[20]采用聚己酸内酯材料4D 打印成型的工艺品可以分别在温度、光照和磁场条件的激励下改变形状。清华大学跨学科团队通过整合材料和制造技术创新设计了“热响应服装设计”作品（见图3），该服装可根据环境温度的变化自主控温，并荣获了2022 红点设计概念奖。热响应材料将为服装等产品设计领域添注新的活力。

图3 热响应材料服装Fig.3 Clothing prepared by thermal-responsive material

2 4D 打印技术在皮革制品设计上的应用优势分析

2.1 丰富设计思维

传统的皮革制品从最开始的设计到最终的成品制作完成，要经历一个工序繁多、耗时耗力的生产制作流程。4D 打印技术直接将材料与结构的变形设计内置到物料当中，简化了从设计概念到产品的中间过程。从理论上看，4D 打印技术具有构建复杂三维物体的能力，只要产品能通过软件将数字模型设计出来，就能制造出来。这种从设计到产品的过程可以让设计师更少地受到工艺、缝制等生产制造因素的限制，拓宽了设计的视野。这无疑会使整个设计过程更快捷、高效，让设计师更加自由，更容易实现设计思维的创新。

2.2 满足消费者个性化、智能化需求

皮革制品作为人们生活中不可或缺的商品，除了满足功能性的需求外，还代表了消费者个人品位与审美[1]。4D 打印技术具有单件产品单独打印能力，可以按照不同消费者需求设计匹配产品，使得产品个性化定制成为可能。另外4D 打印的产品具备应激自动响应特性，可在不同激励条件下实现相应的形态演变，可以实现皮革制品向多样化、个性化、智能化发展，从而推动皮革制品设计服务和产业结构的升级。

2.3 提升产品的附加值

在竞争日益激烈的市场环境下，越来越多的商家注重的不仅仅是产品本身，而是更多地从消费者需求出发提升产品附加值。如通过新颖包装、限定款标签等传统营销方式来吸引人们眼球从而刺激消费[23]。将先进的4D 打印技术注入到皮革制品设计中，使人们在消费过程中不仅能获得物质的实用满足，还能够得到先进技术带来的精神享受。4D 打印科技含量及价值增值在一定程度上能够提升皮革制品的内涵和设计价值。另外，4D 打印的智能材料（如丝胶蛋白水凝胶SMH、橡胶弹性体PLA、热塑性弹性体TPE 等）制造的产品在生命周期结束后，还能够实现回收再利用，从生态环境保护层面[22]提升了皮革制品的附加值。

3 4D 打印技术在皮革制品设计上的应用设想

皮革制品设计是以“形”和“结构”设计艺术为核心的立体设计，融合了科技、材料、文化、艺术与经济等多门类学科知识，是一项集成性、创造性的设计活动[24]。3D 打印技术以数字模型为基础，通过快速成型的方式，推动了皮革制品产业从传统设计向定制化设计模式的转变。在智能材料的加持下，4D 打印构建的形态更新颖、更复杂，而且打印的结构能够发生形状或功能的改变，能够拓展皮革制品造型设计的自由度，适合应用于从简单到复杂变化的各类造型打印。4D 打印可以轻松地成为皮革制品设计领域的理想工具，让设计师在设计上有更大更自由的发挥空间。

3.1 在皮鞋上的应用

当今，皮鞋已成为人们喜爱的一种鞋类，是美化人民生活的大宗商品之一，在服饰类产品中有着“举足轻重”的地位。传统方法开发一款与设计构思完全相符的鞋子，在试制中可能要面临众多的繁琐流程，而4D 打印技术可制作出成型难度大、造型“动态”的产品，给鞋类产品的设计开辟了广阔空间与视角。为迎合时代发展，制鞋企业可以以4D 打印新型智能材料为载体，并将其运用在鞋底、鞋面上创新产品，满足消费者的多元化需求。

3.1.1 鞋底设计

跟、底是鞋的重要组成部分，鞋底的轻量化和防滑性的好坏直接影响鞋穿用时的舒适性和安全性。影响鞋底防滑性能的因素很多，包括是否使用了好的防滑材质、进行合理的防滑设计等[25]。4D 打印技术将产品的“功能性”与产品的制造工艺相结合，在保留材料特殊性质的基础上快速成型制造，为鞋底的轻量化和防滑性设计提供了一个新的发展方向。

笔者将4D 打印的水响应材料应用在皮鞋鞋底花纹设计上。试图通过4D 打印技术减轻鞋底重量、增加鞋底的舒适性和防滑性。如图4 所示，整个皮鞋鞋底采用4D 打印一体成型制造，使鞋底更加轻盈。水响应材料运用在鞋底花纹设计上，当下雨天或在湿润地面穿着时，随着鞋底湿度增加鞋底水响应材料花纹会变深，更利于抓地防滑；当在干燥地面穿着时，鞋底花纹可自动恢复原状，从而满足人们穿同一双鞋在不同场景下的使用需求（见图4）。

图4 4D 打印鞋底概念设计Fig.4 Concept design of 4D printing sole

3.1.2 鞋面设计

皮鞋与人们日常生活密切相关，是人们最喜欢穿用的一种鞋类产品。然而，由于皮鞋的透气性较差，夏季穿皮鞋容易出现出汗、闷脚、臭脚等一系列问题，导致夏季很多人都想和皮鞋“绝缘”。为了解决这些问题，有厂家设计出了全方位镂空的皮鞋鞋面，但却忽略了鞋面的美观性。

将4D 打印技术运用在鞋面设计上，可以在兼顾美观性的同时完美解决皮鞋透气性问题。笔者将4D 打印的热响应材料应用在皮鞋鞋面设计上，尝试将热响应材料与传统皮革材料结合增加皮鞋的“智能化”，以满足消费者不同季节穿着皮鞋的需求。如图5 所示，皮鞋鞋面选用4D 打印热响应材料与传统皮革材料搭配设计，当人们行走在较高温度的环境中时，鞋面热响应材料结构自然打开，不仅能透气散热达到预防汗脚、臭脚的目的，还能增添鞋面的层次感，充分体现出产品设计的创新性；当温度下降时，热响应结构可实现自动闭合，便于保温保暖。

图5 4D 打印鞋面概念设计Fig.5 Concept design of 4D printing upper

3.2 在皮革服装上的应用

不只是鞋类，4D 打印技术同样可以用在皮革服装产品设计上。PU 泳装因其柔软、拉伸性强、透气性好而受到大家的喜欢。笔者以4D 打印水响应材料为例，试图结合水响应材料的应激特性在PU 泳装装饰上进行设计实践，以实现PU 泳装的“动态”装饰来满足人们的个性化需求。如图6 所示，使用水响应材料4D 打印制成的花朵装饰在PU 泳装上，当穿着泳装进入水中时，水响应材料花朵与水充分接触后，平面的花朵“自然地盛开”成立体造型，尽显女性妩媚风姿，立刻让穿着者成为人群中的焦点；当游泳结束离开水面，随着湿度的减少，装饰花朵逐渐恢复到原始的平面状态，方便后期的收纳。

图6 4D 打印泳装花朵装饰概念设计Fig.6 Concept design of swimwear floral decoration by 4D printing

此外，4D 打印的热响应材料还可应用在皮革大衣上，如在大衣的腋下、背部等位置结合热响应材料设计，可实现自主散热、控温智能化等。

3.3 在皮革箱包上的应用展望

箱包类产品亦是如此，将4D 打印智能材料的演变特性应用于箱包产品的设计与开发，通过数字模型设计和快速打印自动组装成型，可实现设计、制造和装配一体化。我们可以试想一下，设计师只需要在软件上建立模型设置好参数，打印机输出的零部件会自动组装成箱包成品，这将会是何等的神奇？Ge 等[26]在2015 年基于形状记忆聚合物纤维结合弹性基体的复合材料，成功4D 打印出在温度激励条件下实现自我折叠成型的盒子（见图7），其创新的研究成果在技术理念上为4D 打印自动成型的箱包产品提供了可能性。尽管目前4D 打印技术的研究尚处在起步阶段，应用在大规模的生产中还有很长的路要走，但随着研究的逐步深入, 我们有理由相信，不久的将来4D 打印技术一定会促进箱包产品设计的繁荣发展。

图7 4D 打印自我折叠盒[24]Fig.7 Self-folding box by 4D printing[26]

结语

4D 打印是在3D 打印的基础上发展起来的一项新兴技术。将4D 打印技术融入皮革制品设计中，在智能材料的加持下，4D 打印技术构建的产品形态更新颖、更复杂，能够拓展皮革制品的“功能性”，在皮革制品设计领域有着广阔的发展前景。以4D 打印技术水响应材料和热响应材料为例，分别在皮鞋鞋底花纹、鞋面和PU 泳装装饰上进行了设计案例探索，希望能为4D 打印技术在设计领域中的应用提供一些参考借鉴。