4D打印比3D打印多的一个“D”，是物体继长、宽、高之后的第四维度。也就是说，除了拥有3D打印技术的“长宽高”三维结构外，4D打印技术还增加了“时间”的维度概念。通过3D打印技术制造出的产品，在没有人为干预的前提下是无法改变的，并一直保持着原状。但基于4D打印技术的产品，会对其所处的环境发生改变。4D打印使得打印产品不再是静止的，而是赋予了其智能化与随时间变化的能力。
4D打印技术的提出
2013年，麻省理工学院的Tibbits在TED会议上首次提出4D打印技术的概念。该技术是基于传统3D打印工艺的智能材料和智能结构的增材制造技术，智能材料的3D打印成形件可随着时间和外界刺激进行形状、性能和功能变化，3D打印成形件增加一个时间维度而形成4D结构。实现4D打印需进行智能结构、外界驱动机制和智能材料增材制造工艺三者的有效配合，4D打印技术使复杂智能结构的快速制造成为可能，可应用于生物医疗、航空航天、智能机器人、精密光学器件和智能结构等领域。
4D打印的构成：由智能材料组成的打印件在建模仿真设计后随着时间推移进行刺激反应
4D打印技术的材料
01、形状记忆合金
形状记忆合金通过温度诱导的正逆马氏体相变进行形状改变，兼具金属结构体的高强度和智能材料的激励响应，主要为NiTi、Fe基、Cu基和Ni-Mn-Ga形状记忆合金，其增材制造方式主要为选择性激光熔化（SLM）和激光熔覆沉积技术（LENS）的金属增材制造工艺，4D打印形状记忆合金可应用于航空航天、生物医疗、土木工程和电气自动化领域，下图为4D打印的Ni-Mn-Ga形状记忆合金成形件。增材制造工艺过程涉及多次循环往复热循环，导致马氏体相变组织、相变温度和相变循环稳定性的不确定性和不易控制性，因此需深入进行快速凝固条件下的形状记忆合金凝固机理和组织性能研究，以得到可实现稳定智能控制的4D打印结构。形状记忆合金的记忆原理为通过在合金奥氏体温度以上进行金属3D打印并直接得到初始形状，在成形件工作服役过程中因受到外力而产生变形，材料内部则发生应力诱发马氏体相变，通过将变形后的成形件加热至奥氏体温度以上，变形后的成形件恢复至初始打印形状。
4D打印的Ni-Mn-Ga形状记忆合金成形件
02、形状记忆聚合物及复合材料
形状记忆聚合物其复合材料是能感知外部刺激驱动而变形的高分子智能材料，具有质轻、易加工、可恢复应变大、可生物降解性、生物毒性低和价格低廉等特点，4D打印形状记忆聚合物及其复合材料的增材制造技术主要为：直接成形技术（DIW）、喷墨打印、选择性激光烧结（SLS）、数字光处理技术（DLP）、立体光固化成形技术（SLA）、熔融沉积成形技术（FDM），4D打印形状记忆聚合物已应用于航空航天、组织工程、纺织材料、生物医疗及药物输送载体等多个领域。
形状记忆聚合物的4D打印技术因素分类如下图所示。形状记忆聚合物的记忆原理为将形状记忆聚合物加热至玻璃化转变温度以上，并施加应力进行初始形状的编程，然后保持外力降低温度至玻璃化转变温度以下后卸载外力而变形，在再次加热至玻璃化转变温度以上后恢复至编程后的初始形状。
形状记忆聚合物的4D打印技术因素分类
4D打印技术
4D打印技术其实也是基于3D打印技术原理实现的，从输入材料的角度来看，增材制造（3D打印）大致分为固体、液体和粉末的技术。基于固体的技术包括熔融沉积建模（FDM），基于液体的技术包括立体光刻（SLA）、数字光处理（DLP）、喷墨和直接墨水书写（DIW），而基于粉末的技术包括选择性激光烧结（SLS）和选择性激光熔化（SLM）。
01
熔融沉积建模（FDM）
FDM适合光敏器件或通过与光子能量相互作用激活的器件的制造。通常，此过程在热塑性塑料和复合材料上运行，例如ABS基材料、聚氨酯基材料、聚碳酸酯、聚乳酸、蜡、金属、陶瓷等。FDM由于其设置和维护1成本低而成为必不可少的技术，因此使其成为其他竞争者（如多材料打印机）中最受欢迎的选择。
工作原理：
↑↑模型处理↑↑
↑↑耗材挤出成型↑↑
↑↑逐层打印过程↑↑
↑↑去除支撑↑↑
↑↑表面处理↑↑
02
数字光处理（DLP）
DLP是一种自下而上的技术，利用DLP投影，将产品截面图形投影到液体光明树脂表面，使照射的树脂逐层进行光固化。
03
立体光刻（SLA）
SLA工艺是一种以液体树脂为基础，填充树脂层在紫外线照射下发生聚合的打印方法。SLA利用光子能量（紫外线）可固化光聚合物，在这种分层打印技术中，通过将来自软件的切片2D图像压印到树脂层上用户定义的输入中来确定最终形状。
工艺过程：
↑↑紫外激光源↑↑
↑↑光固化反应↑↑
↑↑逐层扫描成型↑↑
04
选择性激光烧结（SLS）和选择性激光熔融（SLM）
SLS和SLM技术可满足粉末颗粒的有效的联合，通过对零件几何形状的三维CAD描述将激光能量施加到粉末床上来创建3D零件。SLM与SLS制件过程十分相似，但SLM工艺一般需要添加支撑结构。SLS与SLM工艺加工材料十分广泛，加工标准金属的致密度高，具有良好的力学性能，可以打印镂空结、空心等复杂结构。
↑↑SLS制造金属零件↑↑
05
直接墨水书写（DIW）
除了以液滴或细丝形式印刷的SLA、喷墨、DLP等之外，DIW是3D打印液体分配技术中的另一个子类别。挤出的长丝在直接墨水书写（DIW）中的触变行为被用于印刷支架，以防止骨损伤。
4D打印材料的形状变形机制
4D打印材料具有丰富的外界驱动方式，包括热驱动、光驱动、电驱动、水驱动和磁驱动。下面主要介绍现阶段常用的热、光、磁驱动机制。
热驱动
热驱动方式主要应用于形状记忆合金和热敏型形状记忆聚合物，其形状记忆效应分别来源于分子链组成单元的玻璃化转变或熔融转变和马氏体正逆相变。通过外界热条件对4D打印结构进行温度驱动，结构形状发生动态演变。
热驱动过程
光驱动
光驱动方式主要应用于光敏型形状记忆聚合物，聚合物通过吸收光波能量并转化为热量，热量集聚引起温度升高和形状记忆效应，外部光能触发3D打印结构从变形后的形状恢复至原始形状。光驱动的特点是具有区域性和灵活性，可有选择性地对成形件进行区域性的照射而产生局部驱动。光驱动形状记忆聚合物可应用于软体机器人、仿生机器人和微机电控制系统中，基于形状记忆材料变形机制的自折叠机构主要利用二维记忆材料的自动展开和折叠动作而形成三维空间结构，通过外界光驱动实现二维平面→三维空间的自动转换，如下图所示。
4D打印光驱动自折叠
磁驱动
磁驱动方式主要应用于磁性形状记忆合金和形状记忆聚合物，通过在聚合物中区域性地添加磁性颗粒而实现精确变形控制，磁场进行驱动控制具有非接触性和可远程操作的优势，通过调整外部磁场的变化而进行4D打印结构的变化。相比于热驱动和光驱动方式，磁场驱动方式可实现4D打印结构的快速响应，该方式在生物医疗应用中具有很大优势，通过在体外进行磁场非接触式控制而实现快速精确驱动，下图为4D打印磁性形状记忆聚合物在磁场作用下的变形过程。
4D打印形状记忆聚合物在磁场驱动作用下形状变形过程
4D打印技术的应用领域
4D 打印技术的出现，为复杂结构产品的设计和制造带来了新方法，也为更多应用领域的技术研究开拓了方向。其中较为热门的应用领域包括智能结构、生物医疗、航空航天等。
智能结构
主要利用4D打印结构件在外界驱动作用下的快速响应而进行有效动作控制，可用于制造驱动器、感应器、医疗器械和机器人。
生物医疗
主要利用4D打印结构件的可折叠和可压缩性，在血管支架、气管支架、组织工程装置和药物载体等方面具有潜在应用价值。
航空航天
主要利用4D打印结构件的可折叠和可变功能性，在可变形机翼、空间展开机构和可折叠*器武**装备方面可满足极端服役环境要求。
4D打印发展趋势和挑战
1
材料开发
目前用于4D 打印的材料必须是刺激响应材料，但并非所有材料都是刺激响应材料，并且并非所有刺激响应材料都可以打印。大多数响应材料仅对某种刺激做出响应，因此，发现新的响应性材料并使现有的响应性材料可打印是未来的发展方向。
2
生物仿生
在生物启发领域中，界面化学和物理学的基础研究需要进一步探索。我们甚至可以探索人工智能，以进行生物启发的材料的高级设计。人工智能可以为在复杂或苛刻条件下的实际应用中仿生材料的开发带来巨大帮助。
3
医疗领域
4D 生物打印具有独特的优势将有助于医学发展。4D 打印的应用主要是组织工程，药物输送和人工支架，组织和植入的器官对刺激的精确要求，是生物医疗领域研发的重要考虑因素。更加权威性、个性化、自适应的医疗水平是对4D 打印发展提出的更高的要求。此外，为了为诸如医药等特殊行业提供服务，4D打印机应向纳米级发展。
4
绿色生态可持续
4D 打印的应用能够有效减少材料的消耗，增加产品寿命，我们需要更多的努力来开发“绿色4D 打印”。在4D 打印过程中通常使用的有毒有机溶剂会造成污染问题，因此开发“绿色4D 打印” 非常重要，例如使用无害溶剂或改善设备性能以减少有害气体的排放。在产品生产的整个过程中，都要考虑材料降解、可回收等各个环节的绿色环保问题。
5
交叉学科的相互融合
4D 打印技术本身就是3D 打印与新型智能材料交叉结合的产物，由于材料的变化特性，4D 打印本身就具有更多的开发潜能。在今后的技术研发中，需要更加重视各学科融合，才能跟进时代的步伐创造出更多新技术、新产业。
参考文献：
[1] 赵蒙_4D打印技术的研究进展
[2] 张雨萌_4D打印技术-工艺-材料及应用
[3] 3D打印世界《40张高清动图，秒懂3D打印原理》
[4] 网络.百度百科