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联系我们超越维度的4D打印
为创造提供更多可能
35年前问世的3D打印技术，在传统制造业转型中扮演了重要角色，催生了市值约300亿欧元、年增长率高达20%的市场。然而，当一项技术走向成熟，有朝一日必会被新技术所替代。3D打印技术的继任者，就是具有突破意义的4D打印，其中第四个维度代表着时间。4D打印可以理解为赋予物体额外功能的3D打印，能制造“动态”的、可对外界刺激做出反应的物体。利用该技术，设计者能对物体进行“编程”，让其具备智能生物般的自主性。无论是科研还是实际应用，4D打印都蕴含无限机遇和潜力。
新理念逐渐渗透进了其他学科。2005年，美国国防高级研究计划局（DARPA）启动了一项名为“打造可编程物质”的长期项目，聚焦模块化机器人、集成编程、纳米材料 [2]，让可编程物质的发展轨迹与智能材料实现了相逢。智能材料，指可通过物理刺激（电场、磁场、光照、温度、震动）、化学刺激（pH值、光化学反应）或生物刺激（葡萄糖、酶、生物活性分子）激活或诱发改变的材料。
最终，在2013年，麻省理工大学自组装实验室创始人在一次TedX演讲中，提出以智能材料为3D打印原料生产可编程物体，并将这一技术命名为“4D打印”。3D打印、可编程物质、智能材料三个领域的碰撞交融，拉开了4D打印革命的序幕。
4D打印的实际应用
已经在路上
从产品模型、建筑模型、仿真器官到航空部件、可口食品，从工业打印到桌面打印，正当大家还在畅谈着3D打印走入家庭应用的场景时，一项更为神奇的打印技术，4D打印已在路上。除了拥有3D打印的“长宽高”立体三维空间之外，4D打印还新增加了一个维度，叫做“时间”，这就表示4D打印出来的东西，不再只能以固定的形态存在，而是可以根据设定的时间，在一定条件的触发下，自动发生形状的改变。
4D打印能塑造形态复杂、功能多变的物体，有望开辟设计的新世界，带来制造业的重大变革。如果打印出的物体能在预先设定的时间和地点实现自我组装，无需人类参与，那么必然会催生出一系列全新的技术。如果物体既有感知力，又有行动力，就意味着能自主适应环境。如果物体能自我检查并修复生产、使用中发生的损坏，则能减少对设备进行侵入性修理工作的需要。
具体的应用还有很多。在柔性机器人领域，4D打印助推了小型机器人的研发，使其朝着毫米级、微米级、甚至纳米级前进。这种机器人可在高危、狭小环境中完成任务，比如可以进入人体递送药物或实施微入侵式手术。在生物医药领域，有学者在研究如何利用4D打印技术制造支架、器官和智能组织。4D打印还能促进柔性嵌入型电子设备的发展，以及智慧城市所需的智能传感器的研发。
在能源领域，有学者在研究如何用4D打印技术将微型构架结合进柔性衬板中，提升太阳能板的发电效率。在消费者应用方面，可以想象4D打印用于设计未来的时尚服装，制造具有自适应特质的仿生布料或智能自折叠鞋。在建筑领域，4D打印能助推新型可持续设计理念。Hygroskin气候响应式建筑项目就是一个很好的例子，其建材充分发挥了木材吸湿性特质，让墙体上的模块能根据空气湿度自动展开或闭合，不需要人类操作或额外能量输入。最后，在艺术和更广义的科学领域，4D打印可用于多种类型的创作和研究，探索物质行为的本质，以及生命与人造物体之间的关系。
中国科学界也在探索4D打印
西安交大获得突破
去年，西安交通大学团队开发了一种具有强机械性能和良好的生物相容性、以动态硫代氨酯键作为动态可逆交联点的共价可适网络，并实现了4D打印。相较于传统光固化3D打印树脂，此材料具有优异的自修复性、重塑性，在机器人、智能警报器、生物植入体等领域有很大的潜在应用空间。虽然光固化3D打印具有更高的精度、分辨率和表面质量，但目前光固化3D打印的形状记忆聚合物结构由于其不溶解和不熔化的共价交联网络，所得的打印结构不可回收、不可修复，从而造成严重的经济和环境问题。因此，开发用于4D打印的高强度、可多次重构、可回收和可自愈的材料至关重要。
西安交通大学张彦峰教授团队通过一系列实验，得到了分辨率高、表面光滑的聚硫氨酯结构。相较于传统光固化3D打印树脂，4DP-PTU由于动态硫代氨酯键而具有优异的自修复性、重塑性。4DP-PTU打印结构在发生损坏后，可通过“断面再打印”的方式进行修复，使性能恢复如初，并且可对4DP-PTU粉末通过简单的热压处理，实现自愈合与从粉末到块体材料的重塑，且自愈合或重塑后依然保持与原块状材料相同的机械性能，解决了已有4D打印技术难以同时实现抓取与释放的问题，有望应用于机器人领域。
不管3D还是4D
根本问题还是材料
智能材料是4D技术的核心。但由于相关研究仍处于早期阶段，现可投入使用的成熟材料尚少，主要以多聚物为主，故机遇挑战并存。当前的一个重点研究领域就是探索陶瓷、金属乃至生物物质、复合材料作为打印原料的可能性除了合适的材料，4D打印技术的进步还需要设计理念的同步发展。设计者必须能合理结合多种材料、工艺和功能，设计出具有预期功能的物体。同时，还需要以“设计-建模-模拟”三个基本步骤为基础，形成新的设计方法论，确保打印出的物体能以正确的方式响应外部刺激。
实际上，实现4D自我组装的关键并不在打印本身，更重要的核心则是材料。麻省理工关于4D打印的试验所采用的材料分为两种，一种是高分子聚合物，在水中可以延展到自己原来长度的两倍；另外一种材料则可以在水中保持固定。在通过预先打印的模型设计中就设定时间的触发介质，也就是该种材料一旦遇到水之后就被触发，其延展性所构成的部分就会自动变形，和固定的部分一起，就自动组装成了之前设计好的形状。
因此，我们可以比较直观的理解4D打印的神奇之处，也就是说它是在原有3D打印技术的基础上，使用了一种自动变形材料，使用者可以通过软件完成建模，将想要的组装性状输入材料中，之后通过一种触发介质，变形材料就会按照预先的设定完成自我组装。或许未来的触发介质并且不来自于外部，而是在打印的过程中直接赋予在材料内部进行触发。
4D打印所带来的意义非常深远，不仅是对制造业生态链的影响，更是对整个商业生态链的影响。也就是将后期组装或者成型的结果预先在前期模型中进行设定，然后在需要的时间范围内通过外在介质触发让打印出来的物体进行自我组装。当然未来不仅是自我组装，还将演变成类似于自我制造的形式。或者我们也可以理解为，所谓的4D打印就是将一种记忆智慧植入到材料之中，在介质的作用下触发其记忆并实现组装。
回归3D打印生态链
钛合金打印成最新风口？
据最新调查显示，苹果正在积极引入3D打印技术。同时，苹果正在测试使用3D打印技术来生产其智能手表的钢材质底盘。此前，荣耀发布MagicV2，其中铰链的轴盖部分首次采用钛合金3D打印工艺，激光3D打印技术进一步渗透至消费电子领域。业内人士表示，苹果秋季发布会召开后，钛合金与3D打印有望成为消费电子发展的新方向。
钛合金在高强度、轻量化、耐腐蚀等方面具备显著优势，有助于消费电子产品的轻薄化与耐久性。同时考虑到CNC（数控机床加工）工艺在面临结构复杂的钛合金件时加工难度大、良品率低，3D打印对复杂结构低成本敏感性的优势将成为切入点。
今年以来，3D打印钛合金材料在折叠手机中崭露头角，实现轻量化设计。目前电子产品金属结构件一般以不锈钢和铝合金为主，前者重量不占优，后者硬度一般。钛合金虽然同时具备硬度和重量优势，但加工难度大、良品率低。而3D打印工艺能有效地解决钛合金材料成型的问题与技术量产痛点，提升手机产品的整体体验感。
业内人士表示，钛合金边框是下一个各大厂商的重点发力方向，会成为旗舰机的标配。当下，旗舰机动辄就是230克以上，长时间握持手感欠佳。得益于钛合金密度小、强度高、耐腐蚀的特质，它会带来更出色的耐用性和更好的抗划伤性。同时，钛合金制造方面将结合3D打印技术，让消费者需求得到个性化满足，为消费电子产品的外观设计带来更大的创新性与自由度，打破传统制造的限制。随着消费电子产品的个性化需求日益增加，更多消费者希望可以根据自身的喜好与需求对产品进行定制。通过3D打印，消费者可以选择不同的外观、材质、功能来定制电子产品，获得更好的用户体验。
钛合金3D打印
最大优势—成本低
除能提高良品率外，3D打印应用在消费电子领域也有助于产品制造成本有效降低、效率提高。3D打印无需模具和机械加工，可以直接将设计稿转化为实体，高效制造出可供测试与评估的产品模型，简化生产过程，降低传统制造过程中所耗费的时间成本和生产装配成本，推进后续开发与创新。同时，增材制造被视为无人值守的制造过程，需要的人力成本也较少，并且一次成型，减少废材，提高材料利用率，也有助于减少用料成本。
近年来，3D打印市场规模高速增长。根据统计数据，2022年全球3D打印制造产品和服务的收入达到180亿美元左右，同比增长18%，3D打印行业已经连续25年保持两位数的增长趋势。据媒体报道，苹果正在积极采用3D打印技术3D打印的运用能够缩短公司的生产时间并降低生产成本。
金属粉末打印
爆炸风险不容忽视
3D打印的重要材料——钛和铝等均是活泼金属，这些材料可燃，因此会像粉尘一样爆炸。钛和铝的燃烧速度也非常快，并会产生极高的温度和压力，因此需要格外小心。与粉尘相关的危害程度在很大程度上取决于相关材料的数量及其在该数量下的行为。粉尘爆炸是由悬浮在封闭空间中的颗粒快速燃烧引起的。当这些颗粒与火花、明火、过热的表面或机器放电接触时，就会发生爆炸。
金属3D打印的从业人员要考虑所使用的集尘器或吸尘器中混合的材料，会不会引发铝热反应，是否配备了D类灭火器等等。实际上，金属3D打印的每个阶段都会产生不同的污染源（或物质）进而会造成特定的危害。金属3D打印用的金属粉末，粒径分布通常为几十微米，可被吸入肺或肺泡。对于低密度的钛、铝及其合金都是反应性金属，风险尤其大，必须受到粉尘浓度的特定限制；其他金属粉末，如钢或其他含镍合金，则被危险物质指令分类为致癌、致突变和生殖毒性材料。对粉末颗粒的长期接触和吸入会给操作人员身体健康带来一定隐患。
不仅如此，在组件的打印过程中危险同样存在，熔化过程产生的废气除一部分会被带入过滤系统，仍可能有一部分被排出到打印系统的外置空间，从而造成室内环境的污染。随同废气的排出，一部分惰性气体如氮气尤其是氩气，也是风险的来源。设备的维护过程，如过滤系统的清洁，其中的粉尘、灰烬比金属颗粒更加细小，若处理不当，很可能会因为成分的稳定性问题发生火灾甚至爆炸。
金属3D打印保护
安全刻不容缓
基于对SLM工艺过程的整体评估，德国Bayreuth大学开发并评估了粉末防护的特定方案，其重点在于安全防护反应性材料Ti6AlV4。为减少危害而采取的保护措施由STOP原则确定优先级顺序，实施策略要基于流程、地点以及员工保护等关键因素。
金属粉末的处理必须格外小心，并且在可能的情况下，应在保护性气氛中进行。目前，全封闭的工艺流程正在被设备制造商所重视，以SLM Solutions为代表的金属打印机品牌商从粉末的灌装、清理甚至中途加装等所有流程均实现了全封闭操作，这种空间分割或封装最大程度的减少了粉尘的暴露和危害。在这种情况下，3D打印手套箱就成为了一种优先的设备选择。
3D打印安全保护
3D打印技术作为一项前沿性、先导性非常强的新兴技术，对传统制造业的工艺改造和新材料的广泛应用具有颠覆性的意义和作用。我们制造的3D打印手套箱（增材制造保护手套箱）针对航空航天特殊零部件的加工所需要的环境而设计的：3D打印设备一般采用送粉成型或铺粉成型两种，每种成型设备其需要的手套箱设计要求不同，为此需要啊根据不同需求来设计手套箱提供可靠的解决方案。
金属3D打印惰性气体保护系统是一套高性能、高品质的自动吸收水、氧分子的超级净化防护手套箱，提供一个纯化工作环境需求的密闭循环工作系统，可以满足特定清洁要求应用的1ppm的O2和H2O惰性的氛围环境。实现了将选择性激光溶化装置本体放置在一密封箱体内，该密闭箱体与多级粉尘手机装置和风循环装置形成闭环，氩气在该闭环内循环，系统中的气氛水含量达到小于1PPM指标，氧含量达到小于1PPM指标，实现超高纯工作气氛的环境，加工的产品可直接应用，减少再处理环节，是一套满足科研开发而设计的经济型循环净化系统。
技术优势
●解决3D打印手套箱大体积密封的可靠性。
●解决3D打印手套箱信号线及动力线高度集成进箱密封防干扰问题。
●解决3D打印手套箱工作时烟尘净化问题及过滤器更换周期及寿命问题。
●人性化专业化设计，箱体外形美观，箱体上大型门的密封性极好，开启方便简单。
●解3D打印手套箱送粉器送粉进气或铺粉设备镜头吹气与手套箱箱体压力控制。
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