4D，一片全新的天地
2017-4-6 來源：數(shù)控機床市場 作者：吳玖
開篇之前，請諸位同筆者一起，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，恰是處于時間的維度之上的。
2013年2月26日，在美國加州長灘舉行的TED2013大會上，麻省理工學院（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，制造出了一種線狀物體，該物體被放入水中時，能改變形狀組成字母“MIT”。通過這一實驗，提出了4D打印的概念。而后，2014年10月8日，美國《外交》雙月刊發(fā)表了一篇名為《準備迎接4D打印革命》的文章，讓4D打印技術概念風靡全球。
而所謂的4D打印，相比目前方興未艾的3D打印技術多了一個時間維度，通過軟件設定模型和時間，變形材料會在設定的時間內(nèi)變形為所需的形狀。
4D 打印直接將設計內(nèi)置到物料當中，簡化了從“設計理念”到“實物”的造物過程。讓物體如機器般“自動”創(chuàng)造，不需要連接任何復雜的機電設備，能夠創(chuàng)造出有智慧、有適應能力的新事物。
聽上去是不是很熟悉？
從這種意義上來講，我們每個人都是大自然進行4D打印的產(chǎn)物。未來，制造出與人類完全相同的機器人是極為有可能的。
至于4D打印的流程大致上是這樣的：
第一步是對材料進行編程，預設其對某些刺激因素所做出的反應。
第二步是把這樣的材料用3D打印機打印出來。
通俗上說，多了一個維度，就相當于為目標產(chǎn)品內(nèi)嵌了一個自我激活的3D打印機，可以根據(jù)外部刺激進行實時的調(diào)整與再創(chuàng)造。
4D打印的發(fā)展前景是誘人的。
這項技術的始作俑者美國馬薩諸塞州技術研究實驗室總監(jiān)Skylar Tibbits表示，4D打印可以生產(chǎn)智能產(chǎn)品，它可以自動適應外部變化，進行自我修復。
比如說，管道可以設計成能夠根據(jù)水流量進行膨脹或收縮的，或者在破裂時自我修復。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)，將其注射入攜帶設計方案的智能材料，等其到達心臟指定部位后，再通過自我組裝成心臟支架。還有在軍事上，美陸軍首席技術官格雷絲·博赫內(nèi)克有一個設想，防彈衣未來可能會采用4D打印技術?？茖W家未來可能開發(fā)出輕薄小巧的防彈衣，便于儲存和攜帶，但也可以伸展開并提供全面的防護。用4D打印制造的目標產(chǎn)品的自適應或自修復技術也能在災難救援或太空環(huán)境等惡劣環(huán)境中派上用場。甚至當此項技術在全社會范圍內(nèi)普及開來的時候，每個人都可以是設計者與制造者。到時，我們的自主性會大大提高。
具體到機床行業(yè)，當前看來，大到一部機床的操作臺，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（負載，溫度等等），我們要進行調(diào)整，唯有裝上許多與之配套的數(shù)控系統(tǒng)，這樣無疑會增加一部機床的造價，從而增加加工生產(chǎn)成本?？扇绻@些機床部件是通過4D打印的呢？那么它們便可以隨時應激，隨時反應，使我們的機床總是處于一種最佳加工狀態(tài)。
我們甚至可以進一步的暢想，如果整部機床都是有4D打印技術（當然是在克服了剛度，強度等等一系列難題的情況下。）打印出來的呢？這樣一來，機床成為了一個完整的整體，因各部件連接所造成的的不良影響也可以消除。到那時，我們的機床才能實現(xiàn)真正的自動化和智能化。
目前，工業(yè)4.0，智慧制造，人工智能等等口號鋪天蓋地，而要真正的進入智能化的時代，筆者敢斷言，4D打?。ɑ蚺c之類似的技術）是繞不開的。
唯有在無人踩踏的路上才能留下腳印，面對著4D這樣一個全新的領域，對于處在飛速發(fā)展階段的我們，難道不是一次彎道超車的難得機遇嗎？
那么，發(fā)展的關鍵發(fā)力點在哪里呢？
要分析這個問題，必須要做的是明確當前4D打印技術的發(fā)展瓶頸在哪里。
結合之前筆者提到的4D打印的過程，其限制因素也就蘊含其中。
第一，是打印材料的選取
4D打印的材料應當具備可編程模擬特性，照Tibbits的話說就是：讓物體如機器般自動制造，而不是先設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
當前實驗的4D打印技術所使用的材料只能夠對水做出應激反應。這恰恰是一個亟待克服的難題。因為，4D打印成品一旦應用到實際之中，刺激因素的來源將有很多，光，電，力，熱，磁等等等等。如何對這些因素進行精準的反應，以及預設變形，是編程技術上的難題。
以上兩點事4D概念上的難題，既然其是建立在3D打印的基礎上的，這就自然而然的引出了最后的限制因素——就是3D打印技術本身現(xiàn)存的限制因素了。
目前進行3D打印的材料和時間成本的消耗，還有就是針對于動態(tài)物體的打印的機器限制。筆者在大學進行課程設計期間，僅僅是簡單一個車架模型的打印（尺寸很?。?，就要耗費普通人難以承受的時間金錢成本。如何使3D打印技術日臻成熟，是我們現(xiàn)階段首要解決的問題。應當與4D打印概念的完善同時甚至要優(yōu)先進行，切不可舍本逐末，好高騖遠。
提出了問題，就是為了解決問題。未來總是光明的。
腳踏實地，才能仰望星空，做好當前的科學研發(fā)工作，努力自主攻堅克難，期待著我國相關從業(yè)者有朝一日可以在如此前沿的領域綻放光彩。
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