什麼是4D列印？材料革命的奇跡與應用

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2023/10/27 什麼是4D列印？材料革命的奇跡與應用

4D列印技術代表著未來的製造方式，適用於製造小型、複雜、客製化的零件，如器官植入物、義肢、自動修復工具等，主要用於生物列印領域，那麼4D列印還有什麼秘密？跟著DiMan來認識！

4D列印的功能可能會令你大吃一驚

第四維度
3D列印有機會受環境影響，例如ABS列印中的零件變形，而4D列印的概念在FDM和樹脂列印機中，是利用熱能和紫外線觸發材料變化，並可控制變化的時間和形式，這種觸發機制使材料在環境溫度下保持所需形狀，可軟化或熔化零件，為更多的應用提供靈活性。

一般來說，4D列印的結果是一個動作，但研究人員也設計了其他效果，例如：
1. 釋放化學品
2. 電路的斷開或閉合
3. 表面積或密度的變化，決定物體是漂浮還是下沉、黏附還是分離
4. 顏色和透明度的變化
5. 材料的強化或弱化

總之，4D列印產生的程式設計物品，在暴露於觸發器時執行其3D列印「程式碼」，可隨著時間的推移，觀察和量化程式設計而作出不同的變化。

你希望3D列印能做什麼效果？

觸發器與材料
每個4D列印技術都需要對觸發器作出反應的智慧材料，這些材料甚至可以根據它的觸發因素進行分類。水、熱、光和電流是最常見的觸發因素，以下將逐一討論︰

當浸入水中時，這些4D列印的線會折疊成立方體

1. 水
水凝膠是最常見的智慧材料，可充當液體和固體，適用於隱形眼鏡、衛生用品等，因此可對應水的膨脹和收縮的特性，來設計適合的物品。

2. 紫外線(UV)光
紫外線(UV)光可用於觸發4D列印的過程，改變材料的結構。通常應用於紫外線反應凝膠、環氧樹脂和液晶彈性體，能夠建立複雜的智慧對象，而這些觸發機制會令材料以特定方式回應，創造出可變形的物體。

紫外線的幾種使用方式

3. 磁力、電流和電磁學
磁鐵可以在3D列印的物件中被附著或放置，產生吸引或排斥的效應；而導電和熱響應的材料組合，可在施加電流時產生熱量，用於目標軟化。這些材料也可創造無焊接電連接器，而電流則承載材料，還能產生電磁現象，可應用於3D列印繼電器和其他電子設備上。

想認識更多嗎？請參閱《告別熱能限制！最新室溫凝膠金屬3D列印》

研究與商業應用
研究實驗室和商業開發人員專注於把物體所需的形狀「編程」為標準材料的微觀結構，在4D列印的商業化生產方面，取得最大進展的是水凝膠、智慧線材和各種功能設備︰

1. 水凝膠
水凝膠是4D列印的關鍵材料，應用廣泛，特別在醫學領域。有美國研究人員開發出4D列印心臟貼片，可幫助心臟自我修復，可見4D列印將在未來開創更多極具潛力的應用。

4D列印水凝膠，有機會成為植入人體的廣泛材料

2. 智慧線材
4D列印的FDM線材開發不斷，具立即變色功能的產品，如Scion Research的靈活線材一直深受歡迎，而其他功能性的線材也在研發中，例如濕度反應線材、應變計的感測器顆粒嵌入的研究，都將為市場帶來更多新穎的選擇。

Hatchbox的光觸發變色線材

3. 功能設備、列印機和策略
4D列印的創新技術，主要是基於現有的3D列印技術上，透過整合多種方法和材料來實現。這些項目包括多材料整合、生物列印、磁性TUP線材、導電凝膠噴墨列印、可擴展織物、設計軟體，以及多功能織物等。這些創新的技術，使4D列印在醫療、軍事和其他領域變得更有前景。