2.1 4D打印与3D打印的区别

4D打印与3D打印名为“打印”，实际上都是一种增材制造（Additive Manufacturing，AM）技术。

3D打印是物体快速成型技术的一种，它是一种以三维CAD设计数据为基础，运用离散的（液体、粉末、丝、片、板、块等）、可黏合的材料，通过逐层累加打印的方式来构造实体物件的技术。3D打印的方式大多是自下而上逐层把材料累加制造成型，另外还有一种独特些的——利用紫外线和氧气的作用使物体自上而下生成，如图2-1所示。

这项技术被命名为“连续液面生长”（Continuous Liquid Interface Production，CLIP）技术，其造物原理及过程如图2-2所示。

4D打印则是建立在3D打印基础上的智能材料的增材制造技术，是一种把设计置入智能复合材料中，通过3D打印机打印出来的实体物件，在时间的维度系数上及外界介质的触发下，发生自我调整、自我组装的技术。

综上所述，3D打印和4D打印都是一种增材制造技术，且4D打印是建立在3D打印的基础之上的，二者有着紧密的联系，又有着明显的区别。其区别主要表现在以下3个方面，如图2-3所示。

2.1.1 打印材料的区别

在现实生活中，无论做什么都需要材料。做饭菜需要食材；做家具需要如木质的、钢质的、石质的等各种板材；就连写作文，语文老师也一定会反复地叮咛“积累素材，积累素材”。材料的重要性由此可见。制造业更是如此，没有了材料，就如同无源之水，无本之木，缺少了制造产品的物质基础，完全没有了制成产品的可能。

4D打印与3D打印把产品打印出来，需要有打印材料的支撑。从对材料需求的必要性来说，二者是相同的，但从所需求材料的性质来说，二者又截然不同。

首先，应该知道4D打印使用的智能复合材料与形状记忆金属是不一样的。

斯凯拉•蒂比茨在TED大会上展示的视频中，复合材料的展示效果与记忆金属看起来类似，其实完全不一样。记忆金属是在特定外部条件下恢复原本的形状，即物体已被设定完结，而不是被制作，如图2-4所示。

在打印材料方面，4D打印使用的打印材料为可记忆高分子材料，是智能聚合材料，尤其是人们所了解的慢回弹聚氨酯材料，慢回弹聚氨酯聚醚主要应用于慢回弹泡沫塑料。关于慢回弹泡沫的介绍，如图2-5所示。

顾名思义，复合材料就是混合多种材料，形成具备更高级别功能的新材料。如斯凯拉•蒂比茨在4D打印实验中使用的复合材料，就是可延展的和不可延展的两种材料复合制成的线状物体，它和单一的可延展的材料只在身长上发生的变化相比，效果是完全不同的，下面通过如图2-6所示的“立方体”的形成说明复合材料如何变形。

其实复合材料的组合可以有很多种形式，这种不同的组合也将产生不同的变形效果。可以想到，将来运用此种材料在加以改进的编程软件的设计下通过3D打印机制成的4D打印产品，将呈现多么令人惊艳的一幕。

4D打印材料与3D打印材料的区别，如图2-7所示。

目前，3D打印材料主要包括工程塑料、光敏树脂、橡胶类材料、金属材料和陶瓷材料等。其他如彩色石膏材料、人造骨粉、细胞生物原料以及砂糖等食品材料也在3D打印领域得到一定程度的应用。

3D打印所用材料是专门针对3D打印设备和打印工艺而研发的，与普通的塑料、石膏、树脂等有所区别，其形状分类和具体要求如图2-8所示。

目前，3D打印技术包括“快速原型制造技术”和“金属构件直接制造技术”两大类。

其中，“金属构件直接制造技术”是以金属粉末为原料，通过高能激光等方式逐层熔化沉积生长（“生长制造”或“增材制造”），直接从零件数字化模型一步实现大型、复杂、整体高性能金属构件的“近终成型”。

在此，重点介绍3D打印“快速原型制造技术”所要应用的高分子材料，具体内容如图2-9所示。

1．工程塑料

工程塑料是指被用作工业零件或外壳材料的工业用塑料，具有强度高、耐冲击、耐热、硬度高及抗老化的塑料，是当前应用最广的一种3D打印材料，常见的有ABS类材料、PC类材料、尼龙类材料等。

（1）ABS类材料，具体内容如图2-10所示。

ABS类材料是快速成型工艺常用的高分子材料，其制成品在现实生活中较常见，如图2-11所示。

（2）PC类材料，具体内容如图2-12所示。

（3）尼龙类材料，以玻纤尼龙为例，如图2-13所示。

另外，工程塑料作为3D打印材料的还有PC-ABS材料、PC-ISO材料、PSU类材料等。

2．光敏树脂

光敏树脂即UV树脂（光固化树脂），由聚合物单体和预聚体组成，能在一定波长（x＝325 nm）和强度（w＝30 mW）的紫外光照射下由光敏剂（light initiator）引起聚合反应，交联固化，生成不溶的涂膜。只要控制紫外光的照射轨迹，便可以使固化后的材料形成理想的形状。光敏树脂一般为液态，用于制作高强度、耐高温、防水等的材料。现在，光敏树脂在3D打印技术方面的应用主要是国内主流SLA快速成型设备、大多数进口或国产DLP桌面机等。如图2-14所示为光敏树脂快速成型示意图。

在今天，4D打印还处在概念阶段，3D打印还处在有待发展的阶段，打印材料不仅是打印成型的重要物质基础，也是制约4D打印和3D打印发展的瓶颈，打印材料的研发对于4D打印和3D打印的发展起着关键的推动作用。

2.1.2 打印方式的区别

4D打印是什么？按照斯凯拉•蒂比茨的概念来解释，就是“自我组装”，即材料自动变成预设的模型。4D打印技术使快速建模有了根本性的转变，直接将设计置入材料中，简化了从“设计理念”到“实物”的造物过程，让物体如机器般“自动”创造，不需要再连接任何复杂的机电设备。

4D打印是通过3D打印机把已进行软件编程的设计置入材料中，打印成型，此时4D打印成品已制造出来，之后的过程则是打印成品按照预设的模型进行自我重塑，可见在打印出成品后还有一个自我“造物”的过程。产品这种自我变形、自我组装的能力伴随材料的始终。

4D打印较传统的制造业和3D打印的神奇之处就在于此：4D打印这一过程不再是造物呈现的终结，而仅仅是提供一条造物路径，是造物呈现的开始。这也是4D打印与3D打印方式最本质的区别。

而3D打印，在物体3D打印机成型后，整个打印流程便可完成。

从3D打印建模的数据来源来说，有两种应用方式。

其一，先进行三维设计，再建立三维数字模型，然后进行三维打印，最终形成实体模型，如图2-15所示。

其二，先进行三维扫描，再建立三维数字模型，然后进行三维打印，最终形成实体模型，如图2-16所示。

可以说，3D打印就是一个数据建模—3D打印—实体模型的过程。

从3D打印的材料来说，也可以有两种方式。

其一，快速原型制造。这种方式采用的是高分子聚合材料，是目前公众所了解的大多3D打印成果和案例的打印方式，是通过高分子聚合材料的物理和化学反应来实现产品制造的。

例如，3D打印光敏树脂的快速原型制造过程如图2-17所示。

从这一过程中可以看出，这一方式是自上而下逐层进行打印的。

其二，金属构件等直接制造。这种方式采用的材料是金属粉末、陶瓷粉末、塑料粉末等，主要是采用高功率的能量束，如激光或电子束作为热源，使粉末材料进行选区熔化，冷却结晶后形成严格按设计制造的堆积层，堆积层连续成型，形成最终产品，如图2-18所示。

3D打印金属材料的制造过程如图2-19所示。

在这一过程中可以发现，这一方式是自下而上逐层累加进行打印的。

2.1.3 打印产品的区别

4D打印采用智能复合材料通过3D打印机打印出来的产品，在材料内嵌入了改变形状的能力。具体来讲，4D打印出的物品遇到外部刺激，如施力、水或者温度变化等时，就会改变自身形状，夸张地说，就像变形金刚一样。如图2-20所示是研究人员制作的一种自动水阀，检测到热水时会自动关闭。

总的来说，打印材料和打印方式的不同，决定了4D打印和3D打印产品的不同：3D打印出的产品是静止的，4D打印出的产品是动态的。这一区别导致了二者在产品从设计到应用，再到废后处理的整个产品生命周期的各个环节的不同，如图2-21所示。

1．模型产品制造

3D打印的实体模型与计算机中的三维模型是完全一样的成品，故现在应用最广泛的是模型制作和实验室研究。但在模型产品制造方面，3D打印由于其自身的发展与技术应用的掌握程度的制约，其产品还存在缺陷，而4D打印出的模型产品就完全没有了这一方面的顾虑，因为其产品是可变形、可调节的，如图2-22所示。

2．零部件产品组装

最重要的是，用3D打印和4D打印出的零部件产品看起来似乎一样，其实有着本质的区别，3D打印出的零部件产品需要人工组装，而4D打印出的零部件产品能自组装，省去了这一实际生产中耗费巨大的组装制作环节，如图2-23所示。

4D打印的块状零部件是自动链接而成的，如图2-24所示。

3．产品适用性

一种商品之所以存在并能够销售出去，关键在于产品的适用性。假如一种商品能够满足大部分消费者的需求，无疑这种产品是成功的商品，必会受到消费者青睐。3D打印和4D打印产品都有其适用性。

3D打印产品的适用性如图2-25所示。

4D打印将很好地解决传统制造业和3D打印产品的适用性问题。4D打印产品的适用性将伴随着整个产品的生命周期，其关键就在于其产品是动态的，可自我变形、自我调节和自我组装。

就如城镇基础设施建设中新建和维护均耗费巨大的管道铺设工程，4D打印将呈现出不一样的理念，如图2-26所示。

4D打印的管道是会随着流量和容量大小的变化而变化的，并在这一过程中实现自我修复。另外，4D打印的自组装形式还将给太空探索提供更大的方便。

4．产品废后处理

在全世界都大力提倡环境保护的同时，随着经济的发展、建设的加快和人口的增加，产生的垃圾也以成倍的速度堆积在垃圾站、掩埋厂以及其他地方。废后处理问题的解决迫在眉睫。

3D打印产品除制造方式不同之外，由于其打印使用的原料完全来源于传统制造业的原料，不同的只是物料形状，因而3D打印产品在现实生活中的使用方式与传统制造业的产品也是相同的，自然其废后处理也是如此。产品生命周期结束之后，将被运送至垃圾掩埋场进行处理。

而在4D打印的产品设想中，除了能自我变形、自我调节和自我组装外，还能自我分解。这将为产品的废后处理带来极大的便利，也更利于环境的保护，如图2-27所示。