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4d技術(shù)和3d技術(shù)的區(qū)別 4d技術(shù)的主要途徑

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目前，增材制造技術(shù)主要包含3D打印和4D打印等。其中，3D打印可在打印區(qū)域的長(zhǎng)度、寬度和高度3個(gè)維度成型具有任意復(fù)雜形狀的構(gòu)件，它要求構(gòu)件的形狀、性能和功能永遠(yuǎn)穩(wěn)定。4D打印則在3D打印的基礎(chǔ)上，與自組裝技術(shù)相結(jié)合引入了時(shí)空維度：通過(guò)對(duì)材料或結(jié)構(gòu)的主動(dòng)設(shè)計(jì)，使構(gòu)件的形狀、性能和功能在時(shí)間和空間維度上能實(shí)現(xiàn)可控變化，滿足變形、變性和變功能的應(yīng)用需求。
因此，4D打印技術(shù)的本質(zhì)是3D打印技術(shù)與可變形材料、新型設(shè)計(jì)技術(shù)的統(tǒng)一體：借助先進(jìn)的多材料3D打印工藝，采用可變形材料作為原料，在對(duì)材料形變精準(zhǔn)預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上開(kāi)展動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，使最終產(chǎn)品具備所需特性。這種獨(dú)特的能力使4D打印技術(shù)有望制造出具備顛覆性功能的產(chǎn)品，從而變革產(chǎn)品制造、裝配、儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)，非常契合國(guó)防領(lǐng)域的需求。
01 4D打印技術(shù)與3D打印技術(shù)的區(qū)別
3D打印技術(shù)是一項(xiàng)誕生于1984年的快速成形技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助工具，將三維數(shù)字模型逐層堆疊成形。而4D打印技術(shù)則更進(jìn)一步，采用新型材料和先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)，使制造出來(lái)的實(shí)體形狀、性質(zhì)能夠可控變化，從而實(shí)現(xiàn)特殊功能。
3D打印與4D打印技術(shù)的區(qū)別對(duì)比
一是打印材料不同。3D打印技術(shù)通常采用形態(tài)穩(wěn)定且不易產(chǎn)生較大形變和性變的熱塑性塑料、金屬、陶瓷等材料；而4D打印技術(shù)則采用可在特定條件下產(chǎn)生特定形變和性變的可編程材料，從而賦予產(chǎn)品更多的功能。
二是形變和性變能力不同。3D打印技術(shù)力求使制造的產(chǎn)品形狀和性能穩(wěn)定，最大程度地降低產(chǎn)品的形變和性變；而4D打印技術(shù)則充分利用制造完成后產(chǎn)品產(chǎn)生形變和性變的現(xiàn)象，使產(chǎn)品可以根據(jù)環(huán)境條件變化而產(chǎn)生不同的功能。
三是設(shè)計(jì)方法不同。3D打印采用的是實(shí)體靜態(tài)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員只需要設(shè)計(jì)產(chǎn)品的單一形狀和性能即可；而4D打印則要求對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)，不僅要設(shè)計(jì)出產(chǎn)品的最終形狀、性能和功能，還要根據(jù)材料特性進(jìn)行材料編程，設(shè)計(jì)出產(chǎn)品中間的形狀和性能。
02 4D打印技術(shù)發(fā)展歷程
4D打印技術(shù)于2013年由麻省理工學(xué)院首次進(jìn)行展示：將采用4D打印技術(shù)制作而成的聚合物鏈條置于水中，鏈條自動(dòng)折疊形成預(yù)先設(shè)計(jì)的形狀。這種鏈條由兩種材料采用增材制造而成，一種在水中膨脹，另一種體積不變。遇水膨脹的部位壓迫其他部位產(chǎn)生形變，形成預(yù)定的形狀。此后，4D打印開(kāi)始逐漸受到不同學(xué)科研究人員的關(guān)注，在設(shè)備、材料、軟件、設(shè)計(jì)等技術(shù)方面開(kāi)展相關(guān)研究。
可編程物質(zhì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（左）和自動(dòng)折疊機(jī)器人
4D打印技術(shù)的誕生可追溯至2007年美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）開(kāi)展的“可編程物質(zhì)”項(xiàng)目研究，該項(xiàng)目旨開(kāi)發(fā)出一種可在軟件控制或外界刺激的條件下轉(zhuǎn)變成理想或有用形態(tài)的智能材料，實(shí)現(xiàn)根據(jù)需求在現(xiàn)場(chǎng)快速制造物資，并使軍事裝備能夠根據(jù)指令改變形狀。DARPA設(shè)想中的可編程物質(zhì)是一種智能材料，包含驅(qū)動(dòng)及傳感機(jī)制，可以在軟件控制或者外界條件的刺激下變形成為有用的形狀 ?？删幊涛镔|(zhì)的設(shè)想應(yīng)用包括三維實(shí)體顯示、可變形天線、可重構(gòu)電子設(shè)備以及多功能現(xiàn)場(chǎng)制造設(shè)備等。
DARPA計(jì)劃從模塊化機(jī)器人、新型材料、納米技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)等多個(gè)領(lǐng)域?qū)删幊滩牧祥_(kāi)展研究，共有包含麻省理工學(xué)院在內(nèi)的5所大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)參與該項(xiàng)研究。麻省理工學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)在此項(xiàng)目支持下開(kāi)發(fā)出可編程物質(zhì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，能夠根據(jù)溫度的變化展開(kāi)或折疊，并以此為基礎(chǔ)制造出可自動(dòng)折疊成飛機(jī)或艦船形狀的機(jī)器人。

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